王小龙 李玉东
摘 要:本文提出了一种具备结构设计优势,特别是具备阻尼结构设计优势的复合材料基座结构形式。通过基座筒壁间填充芯材粘滞阻尼设计和面板夹芯阻尼设计减振原理分析,并结合基座系统阻抗理论分析,提出了筒型复合材料基座的减振设计变量。以该基座特征点位移响应为评价指标,通过Patran/Nastran研究了芯材阻尼、嵌入连接环质量以及内外筒壁厚度比变化对基座减振效果的影响规律。研究结果对复合材料基座结构设计在工程中应用具有一定意义。
关键词:筒型复合材料基座;粘滞阻尼;夹芯面板;阻抗;Patran/Natran
Damping design variables analysis of the cylindrical composite
materials foundation structure
WANG Xiao-long, LI Yu-dong
( 1.The Military Commissary Department in No.427 Manufactory in Guangzhou, Guangzhou 510715;
2.Zhenjiang Watercraft College,Zhengjiang, Zhenjiang 212003 )
Abstract: This paper presents a composite materials foundation structure with design advantages, particularly in the design of damping structures. Combined with the base system impedance analysis and the analysis of the vibration damping design principles of the viscous damping intramural tube and core material of sandwich panel, damping design variables of the cylindrical composite materials foundation were put out. Using displacement response of the feature points as evaluation index, The core material damping, the quality of the connecting ring and the thickness ratio of the within and outside tube walls effect on the damping performance of the foundation were researched by Patran/Nastran finite element analysis. The results is of some significance to the composite materials foundation structure design in engineering.
Key words: Cylindrical composite materials foundation, viscous damping, sandwich panel, impedance, Patran/Natran
1 前言
基座作为连接船体机械设备与船体结构的过渡结构,不仅应具有承载功能,而且还应该具备一定的减振功能。传统的钢质基座质量大、阻尼小、减振可设计性较差,而复合材料本身具有高强度、高比模量、高损耗、可设计性强等特点,同时,基座结构设计还可采用阻尼夹芯结构,实现较好的减振耗能功能。这些优点,使得复合材料在舰艇减振设计领域越来越受到重视。国外对传统基座以及复合材料基座的研究,主要集中在通过试验验证理论分析模型的正确性。P. K. Pardhan[1]等通过激振试验研究了不同分层土壤上机械基座的动态响应,试验结果较好地反映了基于阻抗模型的理论分析结果;M. R. Madhav等人[2]针对复合材料合成沉箱基座开展了理论试验对比研究。国内对于复合材料基座的研究处在结构设计和数值仿真、样机试验阶段。毛亮[3]针对两种新型复合材料基座结构设计方案建立数值模型,分析了基座结构刚度和强度的影响参数并优化了夹芯复合材料基座的结构形式;罗忠等[4]针对两种结构形式的夹芯复合材料基座开展激振试验,研究结果表明夹芯复合材料基座具有较好的隔振效果,并且能有效控制高频驻波;赵树磊等人[5]对金属基座和复合材料基座进行振动传递特性对比试验,研究了复合阻尼材料基座的减振效果。
本文在参考上述几种结构形式的基础上,提出了一种具备结构设计优势,特别是具备阻尼结构设计优势的筒型基座结构形式。通过分析该型基座筒壁间填充芯材粘滞阻尼设计和面板阻尼夹芯设计的减振原理,并结合基座系统阻抗分析,提出了该筒型基座的减振设计变量。以该基座特征点位移响应为评价指标,通过Nastran有限元分析芯材阻尼、嵌入连接环质量及内外筒壁厚度比变化对基座减振效果的影响。
2 筒型复合材料基座结构形式
筒型复合材料减振基座具备轻质、高阻尼特点,主要应用于船体内部小型机械设备,利用传统钢质基座的物理空间换取复合材料基座结构减振设计空间,以高阻尼和高阻抗实现高减振效果。本文提出的具备空间和阻尼设计优势的复合材料基座结构形式,如图1所示。筒形基座单元分别由复合材料面板1、嵌入式连接环2、环壁间阻尼芯材3、内外层环壁4、6和内部支撑5及连接螺孔7、8组成。该基座结构为轴对称结构,面板中心开孔与被隔振设备螺栓连接,柔性面板与嵌入连接环连接,连接环嵌入阻尼芯材中,内外环壁采用复合材料层合圆柱壳板,内外环壁间填充阻尼芯材,基座底部环向布置螺孔与船体结构连接。
(a) 侧视图 (b) 俯视图
图1 筒形基座结构形式
该基座的主要特点是:筒壁采用的纤维增强复合材料板不仅具有很好的刚度强度性能,也具有较好的阻尼性能,同时利用筒壁间填充阻尼材料剪滞设计和面板减振结构设计提高基座减振耗能能力。复合材料面板采用夹芯结构形式,通过选择合适的阻尼芯材以及设计合理的芯材厚度,可在满足结构刚度、强度要求的同时提高结构损耗振动能量的能力。
3 基座阻尼减振原理
3.1 筒壁剪滞阻尼减振原理
阻尼填充材料剪滞设计源于建筑工程中广泛应用的粘滞阻尼墙技术,该基座中“阻尼墙”由内外复合材料筒壁、筒壁间填充聚氨酯阻尼材料构成。在面板承受设备振动拉伸激励时,激励力传递到连接环上,由于连接环轴向运动,致使连接环与内外筒壁之间产生相对往复运动,使得筒壁内粘滞阻尼材料发生剪切变形,通过阻尼材料的内摩擦力来消耗振动的能量,从而减小结构对设备振动的响应,阻尼剪滞模型示意图如图2所示,其总的阻尼力和粘弹性恢复力分别为[7]:
图2 剪滞阻尼示意图
(1)
(2)
式中:
μ 为材料粘性系数;A为连接环与粘滞材料接触的有效接触面积;V为连接环与筒壁间运动相对速度;H为粘滞材料厚度;β温度影响系数;δ筒壁与连接环相对位移;λ为试验指数。
在此,阻尼力公式不考虑阻尼随频率变化的影响。
3.2 复合材料面板夹芯阻尼设计
根据基座结构承载/减振的设计要求,面板采用复合材料阻尼夹芯设计,如图3所示为面板阻尼夹芯结构示意图。
图3 面板阻尼夹芯结构形式
复合材料夹芯结构作为一种约束型阻尼结构形式,由于其芯材受到上下表层复合材料约束板弯曲振动时往复拉压和剪切作用而产生变形,从而发挥阻尼芯材的阻尼损耗能力。由于约束层为设计性很强的各向异性纤维增强复合材料,使得整个面板的阻尼可设计很强,这点不同于一般的均质约束阻尼设计。各层纤维铺层角度、纵横剪切模量和纵横拉伸模量对结构阻尼损耗因子均有较大的影响[8][9]。
4 基座结构阻抗分析
考虑到设备重量比面板重量重得多,而且嵌入连接环的重量较填充芯材重量至少重10倍,因此可忽略面板和填充芯材的质量,将被减振设备简化为m1,面板简化为刚度k1的弹性元件和阻尼为c1的阻尼元件并联,定位环简化为质量m2,底部填充芯材视为具有一定刚度k2(该刚度由剪滞作用以及底部板架的弹性弯曲提供)的弹性元件和阻尼为c2的阻尼元件并联。减振基座剖面及简化系统模型如图4所示。
(a)基座剖面(对称结构) (b)简化阻抗模型
图4 筒型基座剖面及简化模型
假设基座底部为刚性的,其阻抗设为无穷大,其振动响应可视为0,即下x2=0,则可得到系统的力传递率[10]:
(3)
5 基座设计变量
通过上述筒壁填充阻尼粘滞墙设计原理、面板阻尼夹芯设计和基座系统阻抗分析,可以得到影响基座减振性能的结构和材料设计变量。
由于筒壁间填充粘滞阻尼材料设计,由阻尼力公式可知增强基座减振能力的手段有:选取具备高阻尼损耗能力的阻尼材料;通过连接环结构优化设计,增加连接环与粘滞阻尼材料的有效接触面积;减小筒壁与连接环之间的粘滞阻尼材料厚度。但需注意,基座的侧向刚度主要由外筒壁-芯材(连接环)-内筒壁的三层夹层设计保证,粘滞阻尼材料并非越薄越好,前提是保证基座的侧向刚度。
面板采用阻尼夹芯设计,面板阻尼损耗能力的提高主要有:采用模量较高、损耗能力较强的阻尼芯材;根据复合材料可设计性强的优点,采用合理的铺层设计和表层厚度、芯材厚度设计,可使得夹芯面板发挥更好的阻尼效能。
由系统阻抗分析可知,除去面板结构阻尼、填充芯材剪滞阻尼外,影响基座减振效果的结构设计变量还有面板刚度、嵌入连接环质量和筒壁夹芯结构的轴向刚度。而面板具备可拆换性,其刚度、阻尼对基座减振性能的影响在此不做研究,本文仅选取填充芯材剪滞阻尼、连接环质量和筒壁夹芯结构轴向刚度,通过有限元分析其对基座减振性能的影响。
6 有限元仿真分析
6.1 有限元模型
在基座实际使用过程中,基础结构一般为非刚性,基座减振效果必然受到影响。将安装基座的船舶柔性板基础结构简化为一个500 mm×500 mm×10mm的钢质板。以整个基座结构为研究对象,结构的减振阻尼性能通过定义各组分材料的阻尼来模拟。通过Natran稳态动态响应分析计算结构特征点的位移频率响应。简谐载荷幅值F=IN,频率范围为0~1 000 Hz,激励点位于面板中心。通过典型位置的位移响应曲线来研究各设计变量对基座减振性能的影响,模型有限元网格模型如图5所示,边界条件为底部板架边缘固支。
图5 基座安装在船体板基础上的有限元网格模型
图5中标示了激励点及位移响应点的位置,位移响应包括激励点轴向位移、面板边缘点横向位移(特征点1)、底部板架中心点轴向位移(特征点2)。
6.2 各设计变量对基座特征点位移频率响应的影响分析
芯材材料阻尼性能决定了结构耗散振动能量水平,嵌入连接环作为传递振动的中间质量,改变其尺寸会改变中间质量大小,同时会影响阻尼芯材的填充量,两者都会对减振效果产生影响;内外筒壁除了提供基座刚度,同时作为填充芯材的约束结构,会影响阻尼芯材损耗能量的水平。因此,下面通过仿真研究芯材阻尼变化、嵌入连接环质量变化以及内外筒壁厚度变化对减振性能的影响。
6.2.1 材料阻尼比对频率响应传递函数的影响
在结构形式、内外环壁厚度不变的情况下,考虑芯材阻尼变化为0.01/0.1/0.5,以四个典型位置的位移频率响应函数来研究芯材阻尼对基座结构减振效果的影响。在采用上述不同材料阻尼大小情况下,典型位置位移频率响应如图6所示。
(a)板架底部中心轴向响应
(b)面板边缘横向响应
图6 特征点位移频率响应曲线
由图6可知:整个结构的前3阶固有频率为178 Hz,376 Hz,623 Hz,芯材阻尼变化对结构共振峰值有较大的影响,但是对固有频率几乎没有影响;芯材阻尼的变化在小于300 Hz频段内对结构位移频率响应影响不大,即使底部板架的首阶共振峰值也不例外;在大于300 Hz频段,芯材材料阻尼的增加能够有效地抑制板架结构的共振峰值。
6.2.2 嵌入连接环质量对频率响应传递函数的影响
以材料阻尼为0.1,内外环壁厚度保持5 mm不变,仅改变嵌入连接环的密度,假设嵌入连接环的密度变化为ρ1=6x103kg/m3、ρ2=7x103kg/m3、ρ3=8x103kg/m3,各典型位置位移响应曲线如图7所示。
(a)板架底部中心轴向响应
(b)面板边缘横向响应
图7 特征点位移频率响应曲线
由图7可知:嵌入连接环的质量变化对整个安装结构的前2阶固有频率影响不大,质量的增加降低了结构的第3阶频率;嵌入连接环质量的增加使得底部板架结构的1、3阶共振响应增大,相反使得其4阶共振峰值减小、而对底部板架的2阶频响峰值影响不大;除首阶峰值随质量增加而增加,面板边缘侧向振动在其他频段的频率响应随质量变化的影响并不太大。
6.2.3 内外筒壁厚度对频率响应传递函数的影响
控制粘滞材料厚度,以改变环壁内外结构厚度t1/t2=1/1.1/2.1/3.1/5,各典型位置位移响应如图8所示。
(a)板架底部中心轴向响应
(b)面板边缘横向响应
图8 特征点位移频率响应曲线 (下转第页)
(上接第页)由图8可知:改变内外环壁结构的厚度比,对整个结构2阶固有频率值影响不大,其他频率随着厚度比的减小而减小,由于环壁结构占整个结构的质量比较小,因此固有频率减小幅度较小;厚度比对结构1阶峰值影响较大,t1/t2从1/1到1/5时,先减小后增大再减小,响应峰值在t1/t2为1/2时最小。由此可知,筒壁厚度比减振设计存在最佳值。由于侧向刚度的变化,厚度比的变化使得面板结构的横向振动变化较小,但也存在最佳值。
7 结论
本文提出了一种复合材料基座结构形式,通过粘滞阻尼墙设计、阻尼夹芯结构设计和系统阻抗理论分析,得到了影响该型复基座结构减振性能的设计变量,并通过Natran分析了筒体部分结构设计变量对基座减振性能的影响。本文为复合材料基座减振结构设计提供了新的思路,可供同行们参考。
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