阻尼復(fù)合材料在艦船筏架中的應(yīng)用研究

康逢輝，吳醫(yī)博，楊瑞瑞，郭萬(wàn)濤

(洛陽(yáng)船舶材料研究所，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引 言

浮筏隔振系統(tǒng)是控制機(jī)械設(shè)備振動(dòng)向船體結(jié)構(gòu)傳遞的有效手段，對(duì)艦艇的輻射噪聲具有重要的影響，目前國(guó)內(nèi)浮筏系統(tǒng)研究主要集中于鋼制浮筏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減隔振效果的計(jì)算和評(píng)估等方面，但由于鋼制材料結(jié)構(gòu)阻尼小、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限，導(dǎo)致其減振效果無法進(jìn)一步提高。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、高阻尼等特性，且復(fù)合材料具有良好的可設(shè)計(jì)性，因此采用復(fù)合材料筏架和基座能夠起到良好的減振效果，提高艦艇聲隱身水平。目前，在復(fù)合材料基座方面研究較多，Madhav等[1]對(duì)復(fù)合材料合成沉箱基座開展了理論試驗(yàn)對(duì)比研究；趙書磊等[2]分別對(duì)金屬基座和復(fù)合材料基座進(jìn)行了振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)分析；周紅兵等[3]進(jìn)行了基礎(chǔ)阻抗對(duì)筒形復(fù)合材料基座減振機(jī)制影響規(guī)律的研究；毛亮等[4]通過仿真模型優(yōu)化了2種新型夾芯復(fù)合材料基座的結(jié)構(gòu)形式；羅忠等[5]提出2種夾芯復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并開展了減振試驗(yàn)研究。楊德慶等[6]針對(duì)鋼-復(fù)合材料的復(fù)合基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以上研究均表明，復(fù)合材料基座具有較好的減振效果。而在復(fù)合材料筏架方面，研究則相對(duì)較少。本文首先以典型復(fù)合材料筏架結(jié)構(gòu)形式作為研究對(duì)象，研究了筏架靜力學(xué)設(shè)計(jì)要求，筏架材料、面板厚度等參數(shù)對(duì)復(fù)合材料筏架減振效果的影響，然后基于仿真研究結(jié)論進(jìn)行了某型復(fù)合材料筏架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 復(fù)合材料筏架靜力學(xué)分析

筏架作為設(shè)備的承載結(jié)構(gòu)，為保證設(shè)備的正常工作，要求具有一定的剛度，一般要求復(fù)合材料筏架剛度不小于鋼筏架剛度。平板彎曲剛度計(jì)算見下式：

從式（1）可以看出，對(duì)于復(fù)合材料筏架，要求其剛度不小于鋼筏架剛度。當(dāng)筏架材料為鋼時(shí)，鋼楊氏模量為210 GPa；當(dāng)筏架材料為復(fù)合材料時(shí)，復(fù)合材料筏架材料拉伸模量約20 GPa，分析得到復(fù)合材料板厚度為鋼厚度的2.5倍以上時(shí)，可保證復(fù)合材料筏架剛度不小于鋼筏架剛度。

本文以某型號(hào)筏架為研究對(duì)象進(jìn)行研究，筏架如圖1所示。筏架長(zhǎng)度為2 500 mm，寬度為2 200 mm，高度為240 mm。分別計(jì)算鋼筏架和復(fù)合材料筏架在固定載荷下的撓度，復(fù)合材料筏架各面板厚度為鋼筏架各面板厚度的2.5倍。鋼楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 500 kg/m3，復(fù)合材料拉伸模量EX=EY=20 GPa，EZ=4.8 GPa，NUXY=0.13，NUYZ=NUXZ=0.3，GXY=GYZ=GXZ=4.8 GPa，密度為1 800 kg/m3。根據(jù)筏架實(shí)際使用工況，分別對(duì)兩筏架施加載荷和邊界條件，計(jì)算額定載荷下兩筏架的變形，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 兩筏架額定載荷下變形情況Tab. 1 The maximum deflection of the two raft frames

從表1可以看出，當(dāng)復(fù)合材料筏架各面板厚度是鋼筏架各面板厚度的2.5倍時(shí)，復(fù)合材料筏架最大變形小于鋼筏架，因此，在復(fù)合材料筏架設(shè)計(jì)時(shí)，為保證復(fù)合材料筏架剛度，其最小厚度為鋼筏架的2.5倍以上。

2 復(fù)合材料筏架振動(dòng)特性仿真分析

式（1）為結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，從式（1）可以看出，振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量、剛度、阻尼對(duì)振動(dòng)有較大的影響。

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{F}為激勵(lì)力矩陣；，，{x}分別為振動(dòng)加速度，振動(dòng)速度和振動(dòng)位移。

復(fù)合材料具有良好的設(shè)計(jì)性，在復(fù)合材料筏架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過改變纖維織物類型、鋪層角度、樹脂類型、阻尼層層數(shù)、鋪層方式、面板厚度等快速改變整個(gè)筏架的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料筏架的良好減隔振效果。

選取圖1所示筏架結(jié)構(gòu)形式，筏架上面板中心通過4個(gè)BE-85隔振器與設(shè)備連接，上面板四周分別通過4個(gè)BE-60隔振器與4臺(tái)設(shè)備連接。復(fù)合材料筏架下面板通過8個(gè)BE400隔振器與鋼基座連接，鋼基座剛性固定在模擬平臺(tái)上，有限元模型如圖2所示

定義振級(jí)落差和減隔振效果如下式：

式中：LA為各結(jié)構(gòu)上平均振動(dòng)加速度級(jí)總級(jí)；LD為筏架減隔振效果；Li為各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)；n為參與計(jì)算的測(cè)點(diǎn)總數(shù)；LA殼-鋼為鋼筏架時(shí)耐壓殼體上各測(cè)點(diǎn)平均振動(dòng)加速度總級(jí)；LA殼-復(fù)為復(fù)合材料筏架時(shí)耐壓殼體上各測(cè)點(diǎn)平均振動(dòng)加速度總級(jí)。

2.1 材料模量對(duì)復(fù)合材料筏架減隔振性能影響

復(fù)合材料具有良好的可設(shè)計(jì)性，通過改變纖維、樹脂類型、鋪層方式可有效改變復(fù)合材料楊氏模量，進(jìn)而改變復(fù)合材料筏架的剛度。研究了復(fù)合材料不同模量下筏架的減隔振效果，圖3為減隔振效果隨復(fù)合材料筏架材料模量的變化曲線。

從圖3可以看出，隨著復(fù)合材料模量增加，復(fù)合材料筏架減隔振效果有一定提高，這是因?yàn)?，隨著復(fù)合材料模量的增加，一定程度的提高了復(fù)合材料筏架整體剛度，從而提高了復(fù)合材料筏架減隔振效果，因此，在進(jìn)行復(fù)合材料筏架材料選型時(shí)，應(yīng)盡量提高復(fù)合材料模量，其中模量應(yīng)在15 GPa以上，從而提高減隔振效果。

2.2 材料阻尼性能對(duì)復(fù)合材料筏架減隔振性能影響

振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼能夠有效降低振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率撲進(jìn)的振動(dòng)，為了研究復(fù)合材料筏架阻尼對(duì)減隔振效果的影響，研究了當(dāng)復(fù)合材料筏架材料阻尼不同時(shí)浮筏系統(tǒng)的減隔振效果，圖4為減隔振效果隨復(fù)合材料筏架材料阻尼系數(shù)變化曲線。

從圖4可以看出，隨著復(fù)合材料阻尼增加，復(fù)合材料筏架減隔振效果提高，但減隔振趨勢(shì)逐漸平緩，這是因?yàn)殡S著材料阻尼性能的提高，復(fù)合材料筏架整體阻尼性能增加，有效提高了振動(dòng)能量在筏架中的耗散，從而提高了復(fù)合材料筏架的減隔振效果，為提高復(fù)合材料筏架的減隔振效果，阻尼損耗因子在0.1以上效果最佳。

2.3 上面板厚度改變對(duì)筏架減振性能影響研究

筏架上面板厚度改變，使得筏架剛度、重量及輸入阻抗隨之改變，從而使得振動(dòng)能量輸入不同，最終使得筏架的減振性能不同。圖5為不同頻段下減隔振效果隨上面板厚度變化曲線。由圖5可以看出：復(fù)合材料筏架上面板厚度對(duì)中高頻減振效果具有較大的影響，而對(duì)低頻段減振效果則影響較小。因此在進(jìn)行復(fù)合材料筏架設(shè)計(jì)時(shí)，增大上面板厚度能有效提高筏架中高頻段減振效果，而對(duì)低頻段減振效果則影響較小，為保證低頻段振動(dòng)不放大，應(yīng)保證復(fù)合材料筏架上面板厚度為鋼筏架上面板厚度的4倍以上。

2.4 肋板厚度改變對(duì)筏架減振性能影響研究

肋板做為筏架振動(dòng)能量的主要傳遞途徑，改變肋板厚度，造成肋板和上下面板連接處阻抗失配，使得振動(dòng)能量以反射為主，進(jìn)一步提高復(fù)合材料筏架的減振效果。圖6為不同頻段下減隔振效果隨筏架肋板厚度變化曲線。通過圖6可以看出，相對(duì)于增大上面板厚度，改變復(fù)合材料筏架肋板厚度對(duì)低頻具有較好的減振效果，對(duì)中高頻段也具有一定的減振效果，但比改變上面板厚度減振效果較小。因此在進(jìn)行復(fù)合材料筏架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了增大筏架在全頻段的減振效果，尤其是在提高筏架低頻段的減振效果，肋板厚度應(yīng)適當(dāng)增大，最好為鋼筏架肋板厚度3倍以上。

2.5 下面板厚度改變對(duì)筏架減振性能影響研究

下面板作為復(fù)合材料筏架與艦艇結(jié)構(gòu)相連接的重要組成部分，下面板必須具有一定的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)下面板作為振動(dòng)能量的主要傳遞途徑，當(dāng)厚度不同時(shí)，對(duì)復(fù)合材料筏架的減振效果具有一定的影響。圖7為不同頻段下減隔振效果隨筏架下面板厚度變化曲線，從圖7可以看出，改變下面板厚度對(duì)復(fù)合材料家系統(tǒng)的減隔振效果影響并不明顯，但下面板和基座通過隔振器連接，下面板支撐整個(gè)筏架和設(shè)備的重量及各種載荷，因此，復(fù)合材料筏架下面板在滿足強(qiáng)度、剛度等要求的基礎(chǔ)上，盡量減薄，從而滿足減重要求。

3 復(fù)合材料筏架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

在仿真分析研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)某型號(hào)鋼筏架，綜合考慮減振、減重、工藝等3方面設(shè)計(jì)復(fù)合材料筏架，在保證筏架結(jié)構(gòu)外形尺寸相同的情況下，設(shè)計(jì)的復(fù)合材料筏架結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，其中兩筏架縱橫肋板數(shù)量及位置相同。分別成型復(fù)合材料筏架和鋼筏架，在復(fù)合材料筏架成型中，通過合理設(shè)計(jì)阻尼層層數(shù)及鋪層位置增大復(fù)合材料筏架阻尼。筏架改變下面板厚度雖然有一定的減振效果，但相比于改變上面板厚度和肋板板厚度，其減振效果相對(duì)較小，且當(dāng)下面板部分厚度時(shí)，減振效果反而降低。因此在進(jìn)行復(fù)合材料筏架設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足力學(xué)要求時(shí)，為了復(fù)合材料筏架減重，筏架下面板厚度應(yīng)偏薄設(shè)計(jì)。

表2 復(fù)合材料筏架結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab. 2 The structure parameters of the composites raft frame

分別對(duì)由復(fù)合材料筏架和鋼筏架組成的浮筏系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。為了模擬筏架的實(shí)際使用工況，將筏架通過上下隔振器分別與設(shè)備、配重塊和鋼制基座連接，鋼制基座安裝在艙段平臺(tái)上，激振器激勵(lì)配重塊和開啟設(shè)備模擬多源激勵(lì)。本次測(cè)試共設(shè)置了26個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。圖9為復(fù)合材料筏架和鋼筏架各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比圖，圖10為復(fù)合材料筏架相對(duì)于鋼筏架系統(tǒng)振動(dòng)插入損失。表5為兩筏架平均振動(dòng)加速度總級(jí)及插入損失對(duì)比表。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，相對(duì)于由鋼筏架組成的浮筏系統(tǒng)，由復(fù)合材料筏架組成的浮筏系統(tǒng)在各個(gè)測(cè)點(diǎn)均具有良好的減隔振效果，在10～5 000 Hz范圍內(nèi)相比于鋼筏架，復(fù)合材料筏架減隔振效果提高9.9 dB，且在10～315 Hz低頻段內(nèi)具有良好的減隔振效果，減隔振效果提高3 dB。從以上分析可以看出，復(fù)合材料筏架具有良好的減隔振振效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）復(fù)合材料筏架各面板厚度為鋼筏架厚度2.5倍以上時(shí)，可保證復(fù)合材料筏架剛度不小于鋼筏架剛度；

2）提高復(fù)合材料筏架阻尼和模量，均能提高復(fù)合材料筏架系統(tǒng)的減隔振性能。

3）復(fù)合材料筏架上面板厚度增大對(duì)筏架高頻減振具有較明顯的效果，而復(fù)合材料筏架肋板厚度增大對(duì)中低頻段減振具有明顯的效果，改變下面板厚度對(duì)筏架減振效果不明顯；

4）所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料筏架，相比于約束阻尼處理的鋼筏架，10～10 000 Hz全頻段內(nèi)減隔振效果提高約10 dB，10～315 Hz低頻段減隔振效果提高約3 dB。

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