復合結構基座減振特性的理論與實驗研究.pdf

1、軍、民船舶的振動與噪聲的預報與控制是船舶工程中一個重要的技術領域。該領域相關技術的研究與應用對改進民船的質量與安全性,提高艦船的作戰(zhàn)與生存能力有重要的意義。機械激勵引起船舶振動與水中聲輻射的控制技術的研究在國內外已有悠久的歷史和豐富的成果。為進一步提高船舶減振降噪的成效,發(fā)展基于復合材料結構動力學特征的新型隔振技術成為一個有吸引力的研究方向。
　　 機械設備的基座結構是設備振動傳遞到船體結構的最重要通道。為更好地發(fā)揮該通道在減振

2、降噪中的作用,本文突破了船舶機械設備鋼質基座的傳統(tǒng)形式,設計了復合結構基座,并從理論和實驗兩方面研究了其隔振效果。本文的結構及主要研究內容如下:
　　 (1)課題相關研究領域的綜述--從聲學的角度,分析了機械噪聲控制的整體框架和思路。在該框架內,從輪機設計的角度,綜述了船舶柔性隔振系統(tǒng)的研究方法；從結構設計的角度,綜述了船體基座及船體結構中聲傳遞的研究方法；最后,綜述了纖維增強樹脂基復合材料阻尼的研究進展。
　　 (2)

3、基本元件動力學特性的矩陣描述法--在元件坐標系下,分別推導了連續(xù)元件(歐拉-伯努利梁、桿)和離散元件(質量、彈簧、阻尼、剛體)輸入端狀態(tài)向量與輸出端狀態(tài)向量之間的關系。在狀態(tài)向量正方向的定義相同時,給出了向前傳遞矩陣、向后傳遞矩陣、阻抗矩陣和導納矩陣的解析公式,研究了四種矩陣的特性。結合歐拉梁和桿的相關公式,得到了一般二維梁的傳遞矩陣和廣義阻抗矩陣的解析公式。數(shù)值算例表明:在激勵頻率較低時,本文方法與有限元法的結果基本相同。當激振頻率趨

4、近于零時,獲得了位移阻抗矩陣和靜力學有限元剛度矩陣之間的關系。討論了動力學中的矩陣描述法(阻抗矩陣法、導納矩陣法和傳遞矩陣法)與靜力學中的矩陣描述法(位移法、力法和混合法)的對應關系。
　　 (3)組合結構動力學特性的阻抗綜合法--給出了機械阻抗的基本定義和廣義定義。給出了無源線性振動系統(tǒng)的四端參數(shù)矩陣的一般形式,給出了四端系統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)運算法則。介紹了阻抗綜合法的基本原理,采用傳遞矩陣法推導了單層隔振模型的振動方程。本文分別

5、采用傳遞矩陣法和導納矩陣法推導了加固型阻振基座的縱向振動方程,得到了縱向力傳遞率的解析公式,兩種方法得到的結果相同,但傳遞矩陣法的推導過程更簡潔。本文還采用傳遞矩陣法推導了懸臂型阻振基座的橫向振動方程,得到了橫向力傳遞率的解析公式。矩陣描述法有利于利用計算機編程計算動力學問題,本文所導得的公式可用于指導阻振基座的動力學設計,計算工作量不大且精度較高。
　　 (4)復合材料桿件動力學實驗及分析--推導了桿在不同邊界下原點阻抗和傳遞

6、阻抗的公式,分析了阻尼和材料對桿阻抗數(shù)值的影響。在機械阻抗測試平臺上,采用常用的單點激振法進行實驗,得到頻域內復合材料桿件的機械阻抗數(shù)據(jù),頻率高于100Hz時,理論預測值和實驗值基本吻合,證明了該實驗方法的正確性。用實驗方法、解析方法和混合方法進行了模態(tài)參數(shù)的初步識別,并用非線性最小二乘方法中的Levenberg-Marquardt和Trustregion算法分別求得了模態(tài)參數(shù)的最優(yōu)值,比較了兩種算法的結果。由采用優(yōu)化參數(shù)的單自由度離散

7、模型求得的機械阻抗值與實驗值吻合良好,該模型可以較好地描述復合材料試件的動力學特性。
　　 (5)復合材料T型膠接接頭動力學實驗及分析--設計了典型的船用T型膠接接頭,利用前一章的實驗及分析方法,借助設計的夾具,在阻抗測試平臺上測得了正裝和反裝的機械阻抗數(shù)據(jù),獲得了T型接頭的離散系統(tǒng)數(shù)學模型。
　　 (6)膠接元件的動力學特性--采用理論結合實驗的方法研究了T型接頭的膠接結合部在法線方向上的線性動力學特性。根據(jù)粘彈性力學

8、原理,推導了由3個bush單元的組合來模擬阻抗矩陣的公式。算例表明:在Nastran中采用該方法可以從數(shù)值上模擬阻抗矩陣。利用該方法求得的模擬膠接結合部的bush參數(shù)將用于下一章的動力學計算。
　　 (7)基座動力學特性的實驗研究與仿真計算--通過實驗和有限元計算兩種方法研究了加肋圓柱殼中安裝復合結構基座或鋼基座的動力學特性,比較了兩者的減振和隔振效果。結果表明:復合結構基座的有限元建模方法是合理的。復合結構基座比鋼基座具有更好

9、的減振效果。無論采用加速度振級落差還是功率流傳遞率作為評價指標,復合結構基座都比鋼基座具有更好的隔振效果。隔振效果的具體數(shù)值與激勵位置和激勵頻率有關。
　　 (8)總結與展望--總結了本文的研究內容和成果,并對下一步的研究內容進行了展望。
　　 本文創(chuàng)新性的工作主要體現(xiàn)在:
　　 (1)為了提高機械隔振效率,提出了以不同材料組成的復合結構基座替代鋼基座的新思路。
　　 (2)提出了一種復合材料腹板與鋼質阻

10、振質塊相結合的新型機械設備振動隔離基座形式。
　　 (3)基于波動理論,采用與頻率相關的形函數(shù),推導了梁、桿結構的四端參數(shù)矩陣,結合數(shù)值算例編制了計算程序,該程序與常規(guī)有限元程序的計算結果基本相同,但計算量較小。對于簡化的基座理論模型,應用已推導的梁、桿、剛體和質量等的四端參數(shù)矩陣,導出了帶有阻振質量的基座的系統(tǒng)方程,為設計阻振質量基座提供了簡便的工具。
　　 (4)基于計算機-實驗輔助建模思想,提出了復合結構基座的動力

11、學建模方法。對非膠接部分的部件采用常規(guī)有限元程序模擬；針對膠接結合部的動力學特性難以建模的困難,采用非線性擬合方法對阻抗測試平臺上測得的頻域實驗數(shù)據(jù)進行了參數(shù)識別,得到桿和T型接頭試件的系統(tǒng)方程,從中提取出膠接部分的阻抗矩陣,并用有限元程序Nastran中的3個bush單元的組合從數(shù)值上模擬了該阻抗矩陣。
　　 (5)對于復合結構基座和鋼基座進行了實驗研究和有限元計算,結果表明復合結構基座的建模方法是合理的,且與鋼基座相比,經(jīng)過