復(fù)合結(jié)構(gòu)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(yù)報與控制是船舶工程中一個重要的技術(shù)領(lǐng)域。該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用對改進(jìn)民船的質(zhì)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(shù)的研究在國內(nèi)外已有悠久的歷史和豐富的成果。為進(jìn)一步提高船舶減振降噪的成效,發(fā)展基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)動力學(xué)特征的新型隔振技術(shù)成為一個有吸引力的研究方向。
　　 機械設(shè)備的基座結(jié)構(gòu)是設(shè)備振動傳遞到船體結(jié)構(gòu)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(shè)備鋼質(zhì)基座的傳統(tǒng)形式,設(shè)計了復(fù)合結(jié)構(gòu)基座,并從理論和實驗兩方面研究了其隔振效果。本文的結(jié)構(gòu)及主要研究內(nèi)容如下:
　　 (1)課題相關(guān)研究領(lǐng)域的綜述--從聲學(xué)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(nèi),從輪機設(shè)計的角度,綜述了船舶柔性隔振系統(tǒng)的研究方法；從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度,綜述了船體基座及船體結(jié)構(gòu)中聲傳遞的研究方法；最后,綜述了纖維增強樹脂基復(fù)合材料阻尼的研究進(jìn)展。
　　 (2)

3、基本元件動力學(xué)特性的矩陣描述法--在元件坐標(biāo)系下,分別推導(dǎo)了連續(xù)元件(歐拉-伯努利梁、桿)和離散元件(質(zhì)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(guān)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(dǎo)納矩陣的解析公式,研究了四種矩陣的特性。結(jié)合歐拉梁和桿的相關(guān)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(jié)果基本相同。當(dāng)激振頻率趨

4、近于零時,獲得了位移阻抗矩陣和靜力學(xué)有限元剛度矩陣之間的關(guān)系。討論了動力學(xué)中的矩陣描述法(阻抗矩陣法、導(dǎo)納矩陣法和傳遞矩陣法)與靜力學(xué)中的矩陣描述法(位移法、力法和混合法)的對應(yīng)關(guān)系。
　　 (3)組合結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(dǎo)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(dǎo)納矩陣法推導(dǎo)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(jié)果相同,但傳遞矩陣法的推導(dǎo)過程更簡潔。本文還采用傳遞矩陣法推導(dǎo)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(xué)問題,本文所導(dǎo)得的公式可用于指導(dǎo)阻振基座的動力學(xué)設(shè)計,計算工作量不大且精度較高。
　　 (4)復(fù)合材料桿件動力學(xué)實驗及分析--推導(dǎo)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(jìn)行實驗,得到頻域內(nèi)復(fù)合材料桿件的機械阻抗數(shù)據(jù),頻率高于100Hz時,理論預(yù)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(jìn)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(jié)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(fù)合材料試件的動力學(xué)特性。
　　 (5)復(fù)合材料T型膠接接頭動力學(xué)實驗及分析--設(shè)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(shè)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(xué)模型。
　　 (6)膠接元件的動力學(xué)特性--采用理論結(jié)合實驗的方法研究了T型接頭的膠接結(jié)合部在法線方向上的線性動力學(xué)特性。根據(jù)粘彈性力學(xué)

8、原理,推導(dǎo)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(jié)合部的bush參數(shù)將用于下一章的動力學(xué)計算。
　　 (7)基座動力學(xué)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(fù)合結(jié)構(gòu)基座或鋼基座的動力學(xué)特性,比較了兩者的減振和隔振效果。結(jié)果表明:復(fù)合結(jié)構(gòu)基座的有限元建模方法是合理的。復(fù)合結(jié)構(gòu)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(biāo),復(fù)合結(jié)構(gòu)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(guān)。
　　 (8)總結(jié)與展望--總結(jié)了本文的研究內(nèi)容和成果,并對下一步的研究內(nèi)容進(jìn)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(fù)合結(jié)構(gòu)基座替代鋼基座的新思路。
　　 (2)提出了一種復(fù)合材料腹板與鋼質(zhì)阻

10、振質(zhì)塊相結(jié)合的新型機械設(shè)備振動隔離基座形式。
　　 (3)基于波動理論,采用與頻率相關(guān)的形函數(shù),推導(dǎo)了梁、桿結(jié)構(gòu)的四端參數(shù)矩陣,結(jié)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(jié)果基本相同,但計算量較小。對于簡化的基座理論模型,應(yīng)用已推導(dǎo)的梁、桿、剛體和質(zhì)量等的四端參數(shù)矩陣,導(dǎo)出了帶有阻振質(zhì)量的基座的系統(tǒng)方程,為設(shè)計阻振質(zhì)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(fù)合結(jié)構(gòu)基座的動力

11、學(xué)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(jié)合部的動力學(xué)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?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)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(fù)合結(jié)構(gòu)基座和鋼基座進(jìn)行了實驗研究和有限元計算,結(jié)果表明復(fù)合結(jié)構(gòu)基座的建模方法是合理的,且與鋼基座相比,經(jīng)過