大型結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計中聲學填充物的應(yīng)用

孫少龍，王文杰，王篤勇，沈建平

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108）

結(jié)構(gòu)輕量化是現(xiàn)代設(shè)計的趨勢之一。輕量化設(shè)計主要通過以下2種方式實現(xiàn)：

（1）采用輕質(zhì)材料：不改變結(jié)構(gòu)尺寸，采用如鋁合金、鎂合金、鈦合金、陶瓷、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1]：利用現(xiàn)代分析方法，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在保證強度、剛度等基本要求的前提下，通過降低板厚、采用空腔結(jié)構(gòu)、設(shè)置減輕孔等實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

對于尺寸較小、強度要求較低的結(jié)構(gòu)，采用輕質(zhì)材料，可以直接、大幅度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。但是在大型結(jié)構(gòu)件中，由于成本較高，輕量化材料不易被大規(guī)模采用，所以利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實現(xiàn)其輕量化的主要途徑。

在大型鋼結(jié)構(gòu)件中，為保證強度，降低重量，通常將鋼材通過折彎、焊接等工藝加工成空腔結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)抗彎、抗扭慣性矩大，可以通過使用薄板實現(xiàn)較高的結(jié)構(gòu)強度。但是隨著板厚的降低和空腔的增大，高頻的結(jié)構(gòu)振動和空腔共鳴噪聲很容易在密封的空腔結(jié)構(gòu)中傳播甚至放大，使結(jié)構(gòu)件振動及聲輻射增大。

為降低薄壁空腔結(jié)構(gòu)中振動和聲的傳播，可以在空腔外部貼覆黏彈性阻尼材料[2]。但阻尼材料比重大，貼覆工藝復(fù)雜，所以本文通過采用低密度的發(fā)泡材料對空腔進行填充的方案降低振動及聲的傳播。通過計算及試驗數(shù)據(jù)對比，此方法對大型空腔結(jié)構(gòu)的振動噪聲有明顯的抑制作用。

2 研究方法

空腔填充材料選用新型聚氨酯發(fā)泡材料。配方采用了開孔、半硬泡及延遲發(fā)泡設(shè)計，具有開孔率高，密度低、阻燃、吸聲效果好、施工簡單迅速的特點。根據(jù)施工環(huán)境溫度及施工條件，可以調(diào)整延遲發(fā)泡時間，便于施工。發(fā)泡后材料密度30 kg/m3。

通過仿真分析的方法來驗證發(fā)泡材料填充的有效性。建立了354 mm×434 mm×1 000 mm 的壁厚8 mm的空腔架構(gòu)，兩端簡支，1 000 mm長度方向中部加載80 N（100 Hz～1 500 Hz）的激勵，計算對比了聚氨酯填充前后壁面10 mm位置的聲壓級。

通過對某大型輕量化空腔結(jié)構(gòu)填充前后的振動激勵的加速度和聲壓級響應(yīng)對比，驗證了填充材料的實際效果。

3 仿真分析對比

空腔結(jié)構(gòu)在激勵作用下向外部空間的輻射噪聲問題，可以借助商用聲學軟件進行仿真計算分析。結(jié)構(gòu)輻射噪聲的仿真計算方法主要包括聲學邊界元法和聲學有限元法。

在聲學仿真技術(shù)發(fā)展的最初階段，邊界元法是計算結(jié)構(gòu)輻射聲場問題常用的方法，但該方法在定義聚氨酯泡沫等多孔吸聲材料方面存在較大的困難[3]。

隨著聲學仿真計算的發(fā)展，商用聲學軟件LMS Virtual Lab Acoustics 提 出 了AML（Automatic Matched Layer）邊界條件。借助AML 邊界條件，有限元法也可以很好地完成結(jié)構(gòu)輻射噪聲問題的仿真計算。

由于本文是研究空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充新型聚氨酯發(fā)泡材料對其向外輻射噪聲的影響，而利用邊界元法很難對聚氨酯泡沫進行準確定義，故采用聲學有限元法計算空腔結(jié)構(gòu)在激勵力作用下向外部空間的輻射噪聲問題。

空腔結(jié)構(gòu)輻射噪聲計算模型如圖1所示，從內(nèi)到外依次為新型聚氨酯泡沫（或空氣）、空腔結(jié)構(gòu)、外部無限大空間。

新型聚氨酯泡沫采用LMS Virtual Lab Acoustics軟件中的多孔材料中的Johnson-Champoux-Allard模型，利用流阻儀測量得到多孔材料的流阻率為87 000 Pa×s/m2，然后根據(jù)利用B＆K 4204 阻抗管測量得到該材料的吸聲系數(shù)?；谝陨闲滦途郯滨ヅ菽脑囼灉y量數(shù)據(jù)，利用多孔材料物性分析軟件Foam-X，反推得到新型聚氨酯泡沫畢奧模型參數(shù)如下：

圖1 空腔結(jié)構(gòu)輻射噪聲有限元計算模型

孔隙率：0.97

扭曲率：2.52

黏特征長度：0.037 mm

熱特征長度：0.119 mm

根據(jù)上述參數(shù)，建立新型聚氨酯泡沫的聲學計算模型。

空氣密度1.2 kg/m3，空氣中聲速340 m/s?？涨唤Y(jié)構(gòu)材質(zhì)為鋼，密度7 850 kg/m3，彈性模型2.1×1011，泊松比0.3，厚度為8 mm?？涨唤Y(jié)構(gòu)前后兩端采用簡支邊界條件。

振動激勵為點力，作用在空腔結(jié)構(gòu)上表面的中間位置，幅值為80 N。在空腔結(jié)構(gòu)外表面建立100 mm 厚的空氣層，在空氣層的外表面定義AML 表面，模擬無反射表面。計算頻率范圍100 Hz～1 500 Hz，計算步長10 Hz。

在距離AML 表面外10 mm 處，建立場點，用來讀取空腔結(jié)構(gòu)的向外輻射聲壓級。由于空腔結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，故只在其下表面和左側(cè)面均勻間隔250 mm 分別取3 個測點（見圖1），用來對比空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充新型聚氨酯泡沫前后，空腔結(jié)構(gòu)向外的輻射聲壓級。測點聲壓級如圖2所示。

圖2 測點2聲壓級

從圖2中可以看到，在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充新型聚氨酯材料，可以明顯降低空腔結(jié)構(gòu)向外部的輻射噪聲。6 個測點聲壓級降低約3 dB～5 dB，詳見表1。

表1 填充新型聚氨酯泡沫后測點聲壓級對比 單位：dB(A)

空腔結(jié)構(gòu)在外部激勵作用下，其向外的輻射噪聲主要來自2 個方面，一是空腔結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生向外的輻射噪聲，二是空腔結(jié)構(gòu)振動在其內(nèi)部形成混響聲場，該混響聲場透過空腔結(jié)構(gòu)向外輻射噪聲。而在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充新型聚氨酯材料后，其良好的吸聲性能可以降低空腔內(nèi)部的混響噪聲，從而降低了空腔結(jié)構(gòu)的向外的輻射噪聲。

4 試驗對比

為驗證穿孔發(fā)泡材料填充前后對振動噪聲的影響，對某大型輕量化空腔結(jié)構(gòu)件進行了聚氨酯發(fā)泡材料材料填充。采用激振器激勵的方法，對加速度和聲壓響應(yīng)進行填充前后的實測對比。

4.1 試驗對象

結(jié)構(gòu)件尺寸為1 700 mm×380 mm（寬×高），見圖3。

圖3 測試對象及測試現(xiàn)場

為實現(xiàn)輕量化指標，主結(jié)構(gòu)橫、縱梁均為空腔結(jié)構(gòu)，主縱梁的空腔尺寸為434 mm×354 mm，空腔通過8 mm板材折彎焊接形成。對主結(jié)構(gòu)橫、縱梁空腔進行了聚氨酯發(fā)泡材料材料填充。

4.2 試驗方法及測點布置

4.2.1 試驗方法

在結(jié)構(gòu)件聚氨酯發(fā)泡材料填充前后，對中間筏架施加激勵，測試結(jié)構(gòu)件的振動響應(yīng)及近場輻射噪聲。

試驗激勵源為激振器，激勵點為上強結(jié)構(gòu)，共6處，分別為A1、A2、A3，B1、B2、B3。（見圖4）。通過控制信號輸出設(shè)備（白噪聲）參數(shù)及信號放大器參數(shù)保證聚氨酯發(fā)泡材料填充前后輸入能量不變。加速度和近場噪聲同時測量。

4.2.2 測點布置

近場噪聲測點分別為M-1－M-6，測點布置圖見圖4。傳聲器距離結(jié)構(gòu)表面10 mm，激振器分別在A1、A2、A3處進行激勵，測得M-1、M-2、M-3三處的結(jié)構(gòu)表面聚氨酯發(fā)泡材料填充前后的聲壓級。激振器分別在B1、B2、B3處進行激勵，測得M-4、M-5、M-6三處的結(jié)構(gòu)表面聚氨酯發(fā)泡材料填充前后的聲壓級。

圖4 激振器激勵點及近場噪聲測點布置圖

振動加速度響應(yīng)測點為下強結(jié)構(gòu)及安裝板之間的8 mm 板材，共22 個測點，分別為A-1－A-11、B-1－B-11，見圖5。

圖5 振動加速度響應(yīng)點布置圖

激振器分別在A1、A2、A3 處進行激勵時，分別測得A-1－A-11共11個測點的聚氨酯發(fā)泡材料填充前后的加速度響應(yīng)。激振器分別在B1、B2、B3處進行激勵時，分別測得B-1－B-11 共11 個測點的聚氨酯發(fā)泡材料填充前后的加速度響應(yīng)。振動加速度響應(yīng)點見圖5。

4.3 結(jié)果對比分析

4.3.1 加速度測點平均值對比

各加速度測點發(fā)泡材料填充前后加速度對比數(shù)據(jù)見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，填充前后在同樣的輸入能量下，各測點加速度平均降幅在2.61 dB～5.78 dB之間。可以看出，填充物對結(jié)構(gòu)振動有明顯抑制作用。

表2 填充前后各加速度測點平均值差對比 單位：dB(A)

4.3.2 加速度頻譜對比

圖6給出了A1 點激勵，A-1 測點填充前后的加速度頻譜數(shù)據(jù)，圖7給出了A1 點激勵，A-11 測點填充前后的加速度頻譜數(shù)據(jù)。

圖6 A-1測點填充前后數(shù)據(jù)對比

圖7 A-11測點填充前后數(shù)據(jù)對比

由圖6、圖7可以看出，在800 Hz～5 000 Hz 之間，填充前后加速度幅值有明顯降低。并且遠離激勵點的A-11測點較靠近激勵點的A-1測點填充前后加速度幅值降幅更大。表明加速度測點遠離激勵點位置時，由于振動能量在填充物內(nèi)的消耗距離增大，使得遠離激勵點的測點的振動衰減增大。

4.3.3 平均聲壓級對比

各測點發(fā)泡材料填充前后平均聲壓級對比數(shù)據(jù)見表3。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，聚氨酯發(fā)泡材料填充前后在同樣的輸入能量下，各響應(yīng)點近場噪聲平均值降幅在3.74 dB～10.14 dB 之間。可以看出，填充物對空腔近場輻射噪聲有顯著抑制作用。

表3 填充前后各測點平均聲壓級對比/dB(A)

4.3.4 聲壓級頻譜對比

由圖8、圖9、圖10給出了A1 點激勵，M-1、M-2和M-3位置處聲壓級在填充前后的聲壓級頻譜數(shù)據(jù)對比。

圖8 M-1測點填充前后聲壓級頻譜

圖9 M-2測點填充前后聲壓級頻譜

由圖8、圖9、圖10可以看出，在全頻段內(nèi)近場噪聲在填充前后均降低。并且隨著測點離激振點距離的增大，其聲壓級總值差值亦增大。表明近場噪聲測點遠離激勵點位置時，由于聲能量在填充物內(nèi)的消耗距離增大，使得遠離激勵點的測點的聲壓級衰減增大。

圖10 M-3測點填充前后聲壓級頻譜

5 結(jié)語

通過對某大型空腔結(jié)構(gòu)聚氨酯泡材料填充前后的振動噪聲測試數(shù)據(jù)對比，表明在輕量化大型空腔結(jié)構(gòu)中，穿孔發(fā)泡材料可以顯著降低空腔薄壁的振動及輻射噪聲。

該型聚氨酯發(fā)泡材料具有一定的吸聲減振效果，密度低，施工簡單?？梢詰?yīng)用到各種場合。在車輛工程中，車身側(cè)圍總成是影響整車NVH重要的部件之一，為空腔薄壁結(jié)構(gòu)，可以通過此新型聚氨酯發(fā)泡材料填充達到提高整車NVH的目的[4]。在城市高架橋及鐵路的混凝土箱梁內(nèi)，空腔共鳴噪聲會影響橋梁的聲學特性，根據(jù)以上試驗研究，可以通過空腔內(nèi)填充此新型聚氨酯發(fā)泡材料降低空腔共鳴噪聲[5]。