毛亮 牟金磊

摘 要：為研究夾芯復合材料基座的減振效果影響因素及適用范圍，設計了兩種不同支撐骨架形式的夾芯復合材料基座，并對骨架和基座分別進行了減振試驗，試驗中記錄了輸入和輸出測點的加速度信號，將測試結果進行頻譜分析，利用加速度分貝來表示振級，計算了兩種骨架和基座在不同頻率輸入載荷激勵作用下的減振效果。通過對試驗結果分析發(fā)現(xiàn)：在高頻率載荷激勵下，弧形支撐基座減振效果略好于直支撐基座；在低頻載荷作用下直支撐基座減振效果好于弧形支撐基座。

關鍵詞：夾芯復合材料；基座；減振效果

引言

自上世紀六十年代以來，復合材料技術迅速發(fā)展，由于具有低密度、高阻尼和無磁性等特點，復合材料在艦艇上的應用也越來越廣泛，其中夾芯復合材料減振裝置基座就是其中之一。艦艇上各種動力機械和裝置系統(tǒng)工作時都可以引起船體振動，并向周圍輻射噪聲。各種設備及裝置系統(tǒng)的振動和噪聲不僅嚴重影響艦艇的使用性能，而且直接影響到艦艇的聲隱身性能和戰(zhàn)斗力。

目前減振裝置在設計時一般將基座視為剛性結構，而基座結構占據(jù)了大量的艦艇結構重量和設備安裝空間，一艘近三千噸的中型潛艇，各種機械和設備的鋼制基座總數(shù)近一千座，總重量300～400噸。國外的先期研究結果證明[1，2]：三明治夾芯復合材料，通過表層和芯層的合理設計而具有良好的阻尼和吸振特性，將其應用于艦艇設備基座結構的設計，通過與現(xiàn)役減振系統(tǒng)的有機配合，將進一步提高艦艇設備的減振降噪水平[3]。采用復合材料基座不僅能夠有效降低基座結構的重量，同時能夠有效提高機械、設備抗水下沖擊的能力，同時由于復合材料的高阻尼和無磁特性，復合材料基座還能有效減少艦艇的聲、磁特征信號。復合材料基座集基座結構承載與減振功能于一體通過與減振器進行綜合設計，無論是從理念上，還是從發(fā)展前景上來看都具有重大意義[4]。

目前在艦艇設備減振技術的發(fā)展方面，常用的手段主要包括浮筏技術，橡膠隔振技術，增加基座質量技術以及各種類型的減振器、阻尼器的設計技術，而將基座結構與減振設備一體化的設計技術目前在我國還未見應用。本文根據(jù)夾芯結構原理，設計了直立支撐和弧形支撐兩種類型的復合材料基座，通過對其進行試驗研究，并對其減振效果及影響因素進行了分析。本文結論可為艦艇不同裝備減振基座的選擇提供參考。

2 夾芯復合材料基座結構設計

2.1 夾芯結構原理及優(yōu)點

夾芯結構采用上面板與下面板之間夾著芯材，用粘結劑將三者粘結成為整體結構。夾芯結構傳遞荷載的方式類似于工字梁[5]。當夾芯結構承受載荷時，上面板被拉伸，下面板被壓縮，芯材傳遞二者的剪切力，使上、下面板和芯材三者成為一個整體結構；芯材可以有效地增大夾芯結構的厚度，提高斷面的慣性矩，使整個夾芯結構更加堅固，能夠經(jīng)受住大載荷，滿足高強結構的要求。

夾芯結構增加框架空間后比重小、堅固、跨度大，還可大大提高剛度。此外還有下列優(yōu)點：吸收更多的能量以提高強度，承載時板變形，彈性吸收能量，然后釋放應變能，封閉框架結構的撓曲較??；結構性能較好，因為框架易產(chǎn)生局部應力，是產(chǎn)生缺陷的根源，也增加重量，減少框架就能提高材料的整體結構性能；抗?jié)B透性好，如果上面板破裂，芯材可吸收大量能量，使下面板不受損；能滿足特殊局部載荷、整體載荷的要求，密度低、剛度大、結構穩(wěn)定，可充分利用所有組成材料的全部機械性能；蜂窩夾芯結構可采取模壓或其他工藝，加工成各種構件，也可制成箱式斷面等形式以提高構件的結構性能。因此在設計過程中可以采用箱式結構。

總之，夾芯結構具有密度小、結構性能好（特別是剛度大、慣性矩大）、設計自由、易于維護等優(yōu)點，是新穎的優(yōu)秀材料。用箱式結構夾芯復合材料制作基座可以在具有足夠剛度與強度的同時減輕重量，達到結構最佳化、材料優(yōu)化不浪費的盡善盡美的程度。

2.2 夾芯復合材料基座結構設計方案

根據(jù)2.1中夾芯結構的特點，本文提出兩種夾芯復合材料基座設計方案。方案①：面板由纖維復合材料芯1、2構成，并由結構3支撐，在兩層之間的空腔中填充隔振阻尼材料4，可以選擇各種發(fā)泡隔振材料，如發(fā)泡聚氨酯橡膠，并可以根據(jù)關心的振動頻率來確定材料的厚度和孔隙率。方案②：基座面板由纖維復合材料層1、2構成，并由結構5支撐，在兩層之間的空腔中填充隔振阻尼材料4，支撐結構5可加大基座的彎曲強度和剛度，此方案與方案①比較，具有更好的柔度特性。模型尺寸：長190mm，寬110mm，高100mm，方案②中弧形支撐的曲率半徑為140mm。

在骨架中填充低密度的芯材可提高結構的強度和剛度。同時，具有相同承載能力的夾芯結構要比實體結構輕好幾倍。此外，芯材還起到加強了整體強度，降低了單位體積的成本、降低了結構振動等作用。芯材的作用機理是將剪切力從上下夾層傳向內層，這樣使得上下夾層在靜載荷和動載荷下都能保持穩(wěn)定，并且可以通過吸收沖擊能量來提供抗破壞性能。芯材大致上可以分成三類：泡沫類（可以視情況選擇柔度）；蜂窩類以及膜袋制法的三維織物或無紡布。芯材4可以選擇高分子阻尼材料，如聚氨酯、橡膠等，并可以根據(jù)設備主要的振動頻率來確定材料的選取。

3 夾芯復合材料基座減振試驗

3.1 試驗設計

為了解不同支撐方式和夾芯材料對基座減振降噪效果的影響，分別以不同支撐方式的不加芯骨架結構和夾芯基座結構作為對象進行減振試驗。試驗用鋼架底板模擬船底板工況制成模型，將試驗模型固定于鋼架上，旋緊固定螺旋；將一小型電機安裝到模型的面板上，通過測量模型上下的加速度信號，來考核不同方案基座的減振效果；采取調節(jié)電機轉速的方法分別在1500r/min、600r/min對各測點進行測量并記錄數(shù)據(jù)，來分析不同頻率輸入載荷對基座減振效果的影響。

試驗中在試驗模型上面板布置4個測點（其中兩個測點布置于電機安裝用底板板面上），測量其加速度信號，作為模型上面板受到的振動激勵；在鋼架底板上距模型下面板較近處布置4個測點，測量其加速度信號，檢驗電機激勵引起的振動通過模型后的降低值，對試驗模型的減振效果進行考察；分析試驗結果，比較兩種復合材料基座及其骨架減振效果，并分析試驗結果誤差產(chǎn)生的原因。試驗測點布置圖和模型照片見圖1。

3.2 試驗結果

艦艇機械振動的頻率范圍一般為10Hz-2000Hz，因而在試驗分析時主要對0Hz-2500Hz頻率范圍內的振動進行分析。

通過振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到各測點的加速度響應值的時間頻譜，通過數(shù)據(jù)轉換，得出各測點的加速度線性譜。1、2測點位于復合材料基座上表面，3、4測點位于設備安裝底板上，這四個點作為加速度激勵信號的輸入。相對應的各個加速度激勵信號輸出點為5、6、7、8位于試驗鋼架上靠近復合材料基座處，作為加速度響應信號輸出。分別對比直支撐和弧形支撐復合材料骨架和加入芯材后的基座1、5測點，2、6測點，3、7測點，4、8測點的加速度線性譜見圖2至圖5。

由加速度傳遞函數(shù)線性譜圖可以看出，主要振動峰值出現(xiàn)在200HZ之前以及800HZ以后，此時虛線的峰值大大高于實線的峰值，而且跳動較虛線大。這說明復合材料基座及其骨架結構的減振效果良好。從頻譜圖上可以看出，實線的加速度峰值相對于虛線的加速度峰值有著向左下偏移的趨勢。這說明復合材料基座在降低振動的同時將高階頻率的振動變成相對較低階頻率的振動。這與高分子材料的減振機理相符合。

在試驗中采用“加速度分貝”來表示振動級，則加速度均值a的分貝數(shù)可以表示為：

其中a1表示復合材料基座面板上安裝的1、2、3、4各個測點測得的加速度幅值在0-2500HZ上積分，a2表示相對應的5、6、7、8各個測點加速度線性譜在各頻帶上的求和。根據(jù)（1）式分別對電機轉速為1500r/min、600 r/min弧形支撐和直支撐基座及其骨架結構的減振效果進行計算結果如表1-2所示。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 骨架形式對減振效果的影響

弧形支撐比直支撐具有更好的可設計性，在相同條件下能夠保證一定基座剛度，并可以通過調整曲率半徑來改變應變[4]。所以，直觀上感覺弧形基座的減振效果應該比直支撐基座好，因為基座振動造成了弧形支撐基座曲率變化，以至于基座的剛度變化，從而造成了阻尼效果的變化。但是從試驗結果來看，不同形式骨架夾芯復合材料基座的減振效果與輸入載荷的頻率有關，在高頻載荷作用下弧形支撐基座減振效果好于直支撐基座，在低頻載荷作用下弧形支撐基座減振效果反而不如直支撐基座。這是由于基座的隔振效果由阻抗和阻尼共同決定，兩種基座剛度相差不大，但弧形支撐骨架是在高頻激勵下阻尼運動劇烈，所以此時隔振效果較好；而在低頻段，弧形支撐骨架基座更利于能量傳遞，所以此時弧形支撐骨架基座的隔振效果沒有直支撐骨架基座好。

3.3.2 夾芯材料對減振效果的影響

加入芯材后的復合材料基座的減振效果明顯高于單純的骨架結構。對于基座，大部分測點減振效果都在10db以上，平均減少振動12db以上；而基座骨架減振效果大部分測點在5db以下。這表明芯材在基座減振過程中吸收了大部分的能量，芯材選取對基座的減振效果非常重要。

4 結束語

通過夾芯復合材料基座減振試驗可以看出復合材料基座具有良好的減振效果；復合材料基座的減振效果與輸入載荷的頻率有關，在高頻率載荷激勵下，弧形支撐基座減振效果略好于直支撐基座；在低頻載荷作用下直支撐基座減振效果好于弧形支撐基座，不同環(huán)境可以選擇不同的基座。合理選用夾芯復合材料基座可以提高艦艇設備的減振降噪水平，復合材料減振基座在艦艇上具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]Cao J，Joachim L G.Test of a redesigned glass-fiber reinforced vinyl ester to steel joint for use between a naval GRP superstructure and a steel hull[J]. Composite Structures，2003，60（4）：439-445.

[2]Li W L，Lavrich P.Prediction of power flows through machine vibration isolators[J].Journal of Sound and Vibration，1999，224（4）：757-774.

[3]羅忠，朱 錫，簡林安，等.承載/隔振夾芯復合材料基座設計[J].武漢理工大學學報，2009，31（16）：19-22.

[4]毛亮，梅志遠，羅忠，等. 夾芯復合材料基座結構設計與強度分析[J].海軍工程大學學報，2008，20（1）：98-102.

[5]曹明法，胡培.船用玻璃鋼/復合材料夾層結構中的泡沫芯材[J].江蘇船舶，2004，21（2）：3-6.