民用飞机机身蒙皮阻尼减振降噪效果分析

杨云昭，黄光胜，陈晨

民用飞机机身蒙皮阻尼减振降噪效果分析

杨云昭，黄光胜，陈晨

（上海飞机设计研究院，上海200436）

粘弹性阻尼材料广泛用于大型客机的客舱减振降噪。以一块机身蒙皮壁板为例，研究了采用自由阻尼层结构的减振效果。数值仿真结果表明，在金属壁板表面附加阻尼结构后，结构的固有频率降低，模态损耗因子增大；但是附加额外的阻尼层，会有额外的增重。

粘弹性；阻尼；减振降噪；模态损耗因子

民用飞机在飞行过程中，机身蒙皮受激震动，会导致客舱内噪声过大，引发乘客的不适。因此，必须要进行减振降噪设计。本文以机身上一块蒙皮壁板为例，研究自由阻尼的减振效果，为民用飞机中此类结构的减振降噪设计提供一定的参考。

1 阻尼减振技术

粘弹阻尼减振技术被广泛用于结构动力学控制、减振降噪等场合。其得到广泛使用的一个原因是粘弹性阻尼材料在较宽的温度和频率范围内都具有良好的阻尼能力，对结构进行附加阻尼处理能有效地增强结构的振动能耗散能力[1]。传统的阻尼减振方式包括自由阻尼层处理和约束阻尼层处理，它们都需在原结构上附加一层或多层阻尼材料。其中，附加的阻尼层只完成阻尼耗散功能，结构的载荷仍需要由基体结构来承担。

自由阻尼结构是将一层具有大阻尼的材料直接粘附在需要作减振降噪处理的结构件上。机械振动时，阻尼层随结构件作弯曲振动，阻尼材料产生交变的拉压应力和应变，使结构的振动能量得到损耗而达到减振降噪目的，如图1（a）所示。而约束阻尼结构，则在自由阻尼的基础上，再附加一层金属层，利用金属与阻尼材料之间的弹性模量差，通过剪切变形耗能，如图1（b）所示[2]。

图1 阻尼结构的耗能原理

相比约束阻尼结构，自由阻尼结构形式简单，更多地用于各类机械或结构的降噪，尤其是用于薄壳结构的曲面上。只要在金属表面上按照曲面形状粘贴一层阻尼层就可以，工艺方法简单易行。上述处理因增加阻尼而起到减振降噪作用；同时，阻尼层降低薄壳结构的声辐射率，对某些封闭或半封闭结构，阻尼层还具有隔声作用，都有利于控制噪声[3]。

2 算例分析

2.1 未做阻尼处理的蒙皮板

以一块化铣蒙皮区域为研究对象，将其简化为长400 mm，宽150 mm，厚度1.2 mm的平板，边界条件为四边固支。材料为2 000系列铝合金，材料密度2 767 kg/m3，整个结构重量为199.224 g，采用MSC. PATRAN中的壳单元（QUAD4）建模，网格规模为40 mm×15 mm，如图2所示。

图2 蒙皮简化模型

考查蒙皮板前5阶模态，各阶模态的固有频率见表1.该结构的前五阶模态均为弯曲模态，铝合金结构近乎是一个弹性体，结构的模态损耗因子在1×10-4量级，其本身耗散振动能量的能力几乎可以忽略。

表1 蒙皮板前5阶模态频率

2.2 自由阻尼处理壁板

下面对该壁板进行自由阻尼处理。在蒙皮板表面敷设一层自由阻尼层，阻尼层材料为ZN-1型丁基阻尼橡胶。材料厚度3 mm，尺寸为130 mm×380 mm，铺设于整个壁板的中间位置，基层及阻尼层的材料属性见表2.

表2 自由阻尼结构各层的材料属性

阻尼层采用两层实体单元建模（Hex8），网格规模38 mm×13 mm，如图3所示。因为阻尼材料有损耗因子，需采用复特征值分析方法（COMPLEX EIGENVALUE）.

图3 自由阻尼结构有限元模型

考查附加自由阻尼结构后，金属壁板的前5阶固有频率和模态损耗因子，见表3.在铝合金壁板表面附加一层阻尼层后，结构的前五阶模态频率相比原结构（见表1）显著降低，说明整个结构的刚度特性降低了。结构的模态损耗因子由万分之几增至0.4%以上，说明附加的阻尼层显著地增强了壁板的减振能力。此外，附加自由层后，整个结构重332.6 g，增重66.7%.

表3 附加自由阻尼后结构的前5阶模态频率和模态损耗因子

3 结束语

本文针对商用飞机上常用的自由阻尼结构的降噪性能的进行了研究分析。结果表明，在客舱机身铝合金壁板表面敷设一层自由阻尼结构后，壁板的刚度特性降低，而结构的模态损耗因子增加，结构的降噪与吸振能力获得了增强。但是，附加的阻尼结构也会带来额外的增重。

[1]戴德沛.阻尼减振降噪技术[M].西安：西安交通大学出版社，1986.

[2]林松.粘弹性夹层复合材料结构一体化设计方法研究[D].西安：西北工业大学，2012.

[3]刘棣华.粘弹阻尼减振降噪应用技术[M].北京：宇航出版社，1990.

Study on Damping for Noise Control in the Fuselage Skin of the Civil Aircraft

YANG Yun-zhao，HUANG Guang-sheng，CHEN Chen
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Shanghai 200436，China）

Viscoelastic materials are widely used in vibration and noise control engineering.In this paper，a study on the damping characteristic using viscoelastic material in the fuselage skin of the civil aircraft is presented.The results showed that，after a free damping treatment，the stiffness capacity of the skin is decreased，while the loss factor of the structure increased a lot;besides，the weight of the structure is higher.

viscoelastic；damping；vibration and noise control；loss factor

TB535.1

A

1672-545X（2017）07-0241-02

2017-04-19

杨云昭（1990-），男，安徽滁州人，硕士，助理工程师，研究方向：飞行器结构设计。