大型結構件輕量化設計中聲學填充物的應用

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）

結構輕量化是現(xiàn)代設計的趨勢之一。輕量化設計主要通過以下2種方式實現(xiàn)：

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

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

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

在大型鋼結構件中，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構。這種結構抗彎、抗扭慣性矩大，可以通過使用薄板實現(xiàn)較高的結構強度。但是隨著板厚的降低和空腔的增大，高頻的結構振動和空腔共鳴噪聲很容易在密封的空腔結構中傳播甚至放大，使結構件振動及聲輻射增大。

為降低薄壁空腔結構中振動和聲的傳播，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構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，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構填充前后的振動激勵的加速度和聲壓級響應對比，驗證了填充材料的實際效果。

3 仿真分析對比

空腔結構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。結構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。

在聲學仿真技術發(fā)展的最初階段，邊界元法是計算結構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構輻射噪聲問題的仿真計算。

由于本文是研究空腔結構內(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構在激勵力作用下向外部空間的輻射噪聲問題。

空腔結構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）、空腔結構、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)。基于以上新型聚氨酯泡沫的試驗測量數(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 空腔結構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。空腔結構材質(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。空腔結構前后兩端采用簡支邊界條件。

振動激勵為點力，作用在空腔結構上表面的中間位置，幅值為80 N。在空腔結構外表面建立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，用來讀取空腔結構的向外輻射聲壓級。由于空腔結構為對稱結構，故只在其下表面和左側面均勻間隔250 mm 分別取3 個測點（見圖1），用來對比空腔結構內(nèi)部填充新型聚氨酯泡沫前后，空腔結構向外的輻射聲壓級。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，在空腔結構內(nèi)部填充新型聚氨酯材料，可以明顯降低空腔結構向外部的輻射噪聲。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)

空腔結構在外部激勵作用下，其向外的輻射噪聲主要來自2 個方面，一是空腔結構振動產(chǎn)生向外的輻射噪聲，二是空腔結構振動在其內(nèi)部形成混響聲場，該混響聲場透過空腔結構向外輻射噪聲。而在空腔結構內(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，從而降低了空腔結構的向外的輻射噪聲。

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構件進行了聚氨酯發(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進行填充前后的實測對比。

4.1 試驗對象

結構件尺寸為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，主結構橫、縱梁均為空腔結構，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。對主結構橫、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

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

試驗激勵源為激振器，激勵點為上強結構，共6處，分別為A1、A2、A3，B1、B2、B3。（見圖4）。通過控制信號輸出設備（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。傳聲器距離結構表面10 mm，激振器分別在A1、A2、A3處進行激勵，測得M-1、M-2、M-3三處的結構表面聚氨酯發(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-6三處的結構表面聚氨酯發(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

振動加速度響應測點為下強結構及安裝板之間的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。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。振動加速度響應點見圖5。

4.3 結果對比分析

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，填充物對結構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 結語

通過對某大型空腔結構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構中，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。可以應用到各種場合。在車輛工程中，車身側圍總成是影響整車NVH重要的部件之一，為空腔薄壁結構，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]。