阻尼復合材料在艦船筏架中的應用研究

康逢輝，吳醫博，楊瑞瑞，郭萬濤

(洛陽船舶材料研究所，河南 洛陽 471023)

0 引 言

浮筏隔振系統是控制機械設備振動向船體結構傳遞的有效手段，對艦艇的輻射噪聲具有重要的影響，目前國內浮筏系統研究主要集中于鋼制浮筏系統的結構設計、減隔振效果的計算和評估等方面，但由于鋼制材料結構阻尼小、結構設計有限，導致其減振效果無法進一步提高。復合材料具有比強度高、比模量大、高阻尼等特性，且復合材料具有良好的可設計性，因此采用復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，在復合材料基座方面研究較多，Madhav等[1]對復合材料合成沉箱基座開展了理論試驗對比研究；趙書磊等[2]分別對金屬基座和復合材料基座進行了振動傳遞特性試驗分析；周紅兵等[3]進行了基礎阻抗對筒形復合材料基座減振機制影響規律的研究；毛亮等[4]通過仿真模型優化了2種新型夾芯復合材料基座的結構形式；羅忠等[5]提出2種夾芯復合材料基座結構設計方案并開展了減振試驗研究。楊德慶等[6]針對鋼-復合材料的復合基座結構進行了優化設計研究，以上研究均表明，復合材料基座具有較好的減振效果。而在復合材料筏架方面，研究則相對較少。本文首先以典型復合材料筏架結構形式作為研究對象，研究了筏架靜力學設計要求，筏架材料、面板厚度等參數對復合材料筏架減振效果的影響，然后基于仿真研究結論進行了某型復合材料筏架的結構設計及振動試驗驗證。

1 復合材料筏架靜力學分析

筏架作為設備的承載結構，為保證設備的正常工作，要求具有一定的剛度，一般要求復合材料筏架剛度不小于鋼筏架剛度。平板彎曲剛度計算見下式：

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

本文以某型號筏架為研究對象進行研究，筏架如圖1所示。筏架長度為2 500 mm，寬度為2 200 mm，高度為240 mm。分別計算鋼筏架和復合材料筏架在固定載荷下的撓度，復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。根據筏架實際使用工況，分別對兩筏架施加載荷和邊界條件，計算額定載荷下兩筏架的變形，計算結果如表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，當復合材料筏架各面板厚度是鋼筏架各面板厚度的2.5倍時，復合材料筏架最大變形小于鋼筏架，因此，在復合材料筏架設計時，為保證復合材料筏架剛度，其最小厚度為鋼筏架的2.5倍以上。

2 復合材料筏架振動特性仿真分析

式（1）為結構振動系統動力學方程，從式（1）可以看出，振動系統質量、剛度、阻尼對振動有較大的影響。

式中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{F}為激勵力矩陣；，，{x}分別為振動加速度，振動速度和振動位移。

復合材料具有良好的設計性，在復合材料筏架結構設計時，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、鋪層方式、面板厚度等快速改變整個筏架的質量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣，從而實現復合材料筏架的良好減隔振效果。

選取圖1所示筏架結構形式，筏架上面板中心通過4個BE-85隔振器與設備連接，上面板四周分別通過4個BE-60隔振器與4臺設備連接。復合材料筏架下面板通過8個BE400隔振器與鋼基座連接，鋼基座剛性固定在模擬平臺上，有限元模型如圖2所示

定義振級落差和減隔振效果如下式：

式中：LA為各結構上平均振動加速度級總級；LD為筏架減隔振效果；Li為各測點振動加速度級；n為參與計算的測點總數；LA殼-鋼為鋼筏架時耐壓殼體上各測點平均振動加速度總級；LA殼-復為復合材料筏架時耐壓殼體上各測點平均振動加速度總級。

2.1 材料模量對復合材料筏架減隔振性能影響

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

從圖3可以看出，隨著復合材料模量增加，復合材料筏架減隔振效果有一定提高，這是因為，隨著復合材料模量的增加，一定程度的提高了復合材料筏架整體剛度，從而提高了復合材料筏架減隔振效果，因此，在進行復合材料筏架材料選型時，應盡量提高復合材料模量，其中模量應在15 GPa以上，從而提高減隔振效果。

2.2 材料阻尼性能對復合材料筏架減隔振性能影響

振動系統的阻尼能夠有效降低振動系統共振頻率撲進的振動，為了研究復合材料筏架阻尼對減隔振效果的影響，研究了當復合材料筏架材料阻尼不同時浮筏系統的減隔振效果，圖4為減隔振效果隨復合材料筏架材料阻尼系數變化曲線。

從圖4可以看出，隨著復合材料阻尼增加，復合材料筏架減隔振效果提高，但減隔振趨勢逐漸平緩，這是因為隨著材料阻尼性能的提高，復合材料筏架整體阻尼性能增加，有效提高了振動能量在筏架中的耗散，從而提高了復合材料筏架的減隔振效果，為提高復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：復合材料筏架上面板厚度對中高頻減振效果具有較大的影響，而對低頻段減振效果則影響較小。因此在進行復合材料筏架設計時，增大上面板厚度能有效提高筏架中高頻段減振效果，而對低頻段減振效果則影響較小，為保證低頻段振動不放大，應保證復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 肋板厚度改變對筏架減振性能影響研究

肋板做為筏架振動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，使得振動能量以反射為主，進一步提高復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，相對于增大上面板厚度，改變復合材料筏架肋板厚度對低頻具有較好的減振效果，對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。因此在進行復合材料筏架結構設計時，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，肋板厚度應適當增大，最好為鋼筏架肋板厚度3倍以上。

2.5 下面板厚度改變對筏架減振性能影響研究

下面板作為復合材料筏架與艦艇結構相連接的重要組成部分，下面板必須具有一定的強度和剛度，同時下面板作為振動能量的主要傳遞途徑，當厚度不同時，對復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，改變下面板厚度對復合材料家系統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，下面板支撐整個筏架和設備的重量及各種載荷，因此，復合材料筏架下面板在滿足強度、剛度等要求的基礎上，盡量減薄，從而滿足減重要求。

3 復合材料筏架結構設計及驗證

在仿真分析研究的基礎上，針對某型號鋼筏架，綜合考慮減振、減重、工藝等3方面設計復合材料筏架，在保證筏架結構外形尺寸相同的情況下，設計的復合材料筏架結構參數如表2所示，其中兩筏架縱橫肋板數量及位置相同。分別成型復合材料筏架和鋼筏架，在復合材料筏架成型中，通過合理設計阻尼層層數及鋪層位置增大復合材料筏架阻尼。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，其減振效果相對較小，且當下面板部分厚度時，減振效果反而降低。因此在進行復合材料筏架設計時，在滿足力學要求時，為了復合材料筏架減重，筏架下面板厚度應偏薄設計。

表2 復合材料筏架結構參數表Tab. 2 The structure parameters of the composites raft frame

分別對由復合材料筏架和鋼筏架組成的浮筏系統進行振動測試。為了模擬筏架的實際使用工況，將筏架通過上下隔振器分別與設備、配重塊和鋼制基座連接，鋼制基座安裝在艙段平臺上，激振器激勵配重塊和開啟設備模擬多源激勵。本次測試共設置了26個振動測點，測點布置如圖8所示。圖9為復合材料筏架和鋼筏架各測點振動加速度級對比圖，圖10為復合材料筏架相對于鋼筏架系統振動插入損失。表5為兩筏架平均振動加速度總級及插入損失對比表。

從測試結果可以看出，相對于由鋼筏架組成的浮筏系統，由復合材料筏架組成的浮筏系統在各個測點均具有良好的減隔振效果，在10～5 000 Hz范圍內相比于鋼筏架，復合材料筏架減隔振效果提高9.9 dB，且在10～315 Hz低頻段內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，復合材料筏架具有良好的減隔振振效果。

4 結 語

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

2）提高復合材料筏架阻尼和模量，均能提高復合材料筏架系統的減隔振性能。

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

4）所設計的復合材料筏架，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。

參考文獻：

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