夹芯复合材料基座减振效果的试验研究

毛亮 牟金磊

摘 要：为研究夹芯复合材料基座的减振效果影响因素及适用范围，设计了两种不同支撑骨架形式的夹芯复合材料基座，并对骨架和基座分别进行了减振试验，试验中记录了输入和输出测点的加速度信号，将测试结果进行频谱分析，利用加速度分贝来表示振级，计算了两种骨架和基座在不同频率输入载荷激励作用下的减振效果。通过对试验结果分析发现：在高频率载荷激励下，弧形支撑基座减振效果略好于直支撑基座；在低频载荷作用下直支撑基座减振效果好于弧形支撑基座。

关键词：夹芯复合材料；基座；减振效果

引言

自上世纪六十年代以来，复合材料技术迅速发展，由于具有低密度、高阻尼和无磁性等特点，复合材料在舰艇上的应用也越来越广泛，其中夹芯复合材料减振装置基座就是其中之一。舰艇上各种动力机械和装置系统工作时都可以引起船体振动，并向周围辐射噪声。各种设备及装置系统的振动和噪声不仅严重影响舰艇的使用性能，而且直接影响到舰艇的声隐身性能和战斗力。

目前减振装置在设计时一般将基座视为刚性结构，而基座结构占据了大量的舰艇结构重量和设备安装空间，一艘近三千吨的中型潜艇，各种机械和设备的钢制基座总数近一千座，总重量300～400吨。国外的先期研究结果证明[1，2]：三明治夹芯复合材料，通过表层和芯层的合理设计而具有良好的阻尼和吸振特性，将其应用于舰艇设备基座结构的设计，通过与现役减振系统的有机配合，将进一步提高舰艇设备的减振降噪水平[3]。采用复合材料基座不仅能够有效降低基座结构的重量，同时能够有效提高机械、设备抗水下冲击的能力，同时由于复合材料的高阻尼和无磁特性，复合材料基座还能有效减少舰艇的声、磁特征信号。复合材料基座集基座结构承载与减振功能于一体通过与减振器进行综合设计，无论是从理念上，还是从发展前景上来看都具有重大意义[4]。

目前在舰艇设备减振技术的发展方面，常用的手段主要包括浮筏技术，橡胶隔振技术，增加基座质量技术以及各种类型的减振器、阻尼器的设计技术，而将基座结构与减振设备一体化的设计技术目前在我国还未见应用。本文根据夹芯结构原理，设计了直立支撑和弧形支撑两种类型的复合材料基座，通过对其进行试验研究，并对其减振效果及影响因素进行了分析。本文结论可为舰艇不同装备减振基座的选择提供参考。

2 夹芯复合材料基座结构设计

2.1 夹芯结构原理及优点

夹芯结构采用上面板与下面板之间夹着芯材，用粘结剂将三者粘结成为整体结构。夹芯结构传递荷载的方式类似于工字梁[5]。当夹芯结构承受载荷时，上面板被拉伸，下面板被压缩，芯材传递二者的剪切力，使上、下面板和芯材三者成为一个整体结构；芯材可以有效地增大夹芯结构的厚度，提高断面的惯性矩，使整个夹芯结构更加坚固，能够经受住大载荷，满足高强结构的要求。

夹芯结构增加框架空间后比重小、坚固、跨度大，还可大大提高刚度。此外还有下列优点：吸收更多的能量以提高强度，承载时板变形，弹性吸收能量，然后释放应变能，封闭框架结构的挠曲较小；结构性能较好，因为框架易产生局部应力，是产生缺陷的根源，也增加重量，减少框架就能提高材料的整体结构性能；抗渗透性好，如果上面板破裂，芯材可吸收大量能量，使下面板不受损；能满足特殊局部载荷、整体载荷的要求，密度低、刚度大、结构稳定，可充分利用所有组成材料的全部机械性能；蜂窝夹芯结构可采取模压或其他工艺，加工成各种构件，也可制成箱式断面等形式以提高构件的结构性能。因此在设计过程中可以采用箱式结构。

总之，夹芯结构具有密度小、结构性能好（特别是刚度大、惯性矩大）、设计自由、易于维护等优点，是新颖的优秀材料。用箱式结构夹芯复合材料制作基座可以在具有足够刚度与强度的同时减轻重量，达到结构最佳化、材料优化不浪费的尽善尽美的程度。

2.2 夹芯复合材料基座结构设计方案

根据2.1中夹芯结构的特点，本文提出两种夹芯复合材料基座设计方案。方案①：面板由纤维复合材料芯1、2构成，并由结构3支撑，在两层之间的空腔中填充隔振阻尼材料4，可以选择各种发泡隔振材料，如发泡聚氨酯橡胶，并可以根据关心的振动频率来确定材料的厚度和孔隙率。方案②：基座面板由纤维复合材料层1、2构成，并由结构5支撑，在两层之间的空腔中填充隔振阻尼材料4，支撑结构5可加大基座的弯曲强度和刚度，此方案与方案①比较，具有更好的柔度特性。模型尺寸：长190mm，宽110mm，高100mm，方案②中弧形支撑的曲率半径为140mm。

在骨架中填充低密度的芯材可提高结构的强度和刚度。同时，具有相同承载能力的夹芯结构要比实体结构轻好几倍。此外，芯材还起到加强了整体强度，降低了单位体积的成本、降低了结构振动等作用。芯材的作用机理是将剪切力从上下夹层传向内层，这样使得上下夹层在静载荷和动载荷下都能保持稳定，并且可以通过吸收冲击能量来提供抗破坏性能。芯材大致上可以分成三类：泡沫类（可以视情况选择柔度）；蜂窝类以及膜袋制法的三维织物或无纺布。芯材4可以选择高分子阻尼材料，如聚氨酯、橡胶等，并可以根据设备主要的振动频率来确定材料的选取。

3 夹芯复合材料基座减振试验

3.1 试验设计

为了解不同支撑方式和夹芯材料对基座减振降噪效果的影响，分别以不同支撑方式的不加芯骨架结构和夹芯基座结构作为对象进行减振试验。试验用钢架底板模拟船底板工况制成模型，将试验模型固定于钢架上，旋紧固定螺旋；将一小型电机安装到模型的面板上，通过测量模型上下的加速度信号，来考核不同方案基座的减振效果；采取调节电机转速的方法分别在1500r/min、600r/min对各测点进行测量并记录数据，来分析不同频率输入载荷对基座减振效果的影響。

试验中在试验模型上面板布置4个测点（其中两个测点布置于电机安装用底板板面上），测量其加速度信号，作为模型上面板受到的振动激励；在钢架底板上距模型下面板较近处布置4个测点，测量其加速度信号，检验电机激励引起的振动通过模型后的降低值，对试验模型的减振效果进行考察；分析试验结果，比较两种复合材料基座及其骨架减振效果，并分析试验结果误差产生的原因。试验测点布置图和模型照片见图1。

3.2 试验结果

舰艇机械振动的频率范围一般为10Hz-2000Hz，因而在试验分析时主要对0Hz-2500Hz频率范围内的振动进行分析。

通过振动数据采集系统得到各测点的加速度响应值的时间频谱，通过数据转换，得出各测点的加速度线性谱。1、2测点位于复合材料基座上表面，3、4测点位于设备安装底板上，这四个点作为加速度激励信号的输入。相对应的各个加速度激励信号输出点为5、6、7、8位于试验钢架上靠近复合材料基座处，作为加速度响应信号输出。分別对比直支撑和弧形支撑复合材料骨架和加入芯材后的基座1、5测点，2、6测点，3、7测点，4、8测点的加速度线性谱见图2至图5。

由加速度传递函数线性谱图可以看出，主要振动峰值出现在200HZ之前以及800HZ以后，此时虚线的峰值大大高于实线的峰值，而且跳动较虚线大。这说明复合材料基座及其骨架结构的减振效果良好。从频谱图上可以看出，实线的加速度峰值相对于虚线的加速度峰值有着向左下偏移的趋势。这说明复合材料基座在降低振动的同时将高阶频率的振动变成相对较低阶频率的振动。这与高分子材料的减振机理相符合。

在试验中采用“加速度分贝”来表示振动级，则加速度均值a的分贝数可以表示为：

其中a1表示复合材料基座面板上安装的1、2、3、4各个测点测得的加速度幅值在0-2500HZ上积分，a2表示相对应的5、6、7、8各个测点加速度线性谱在各频带上的求和。根据（1）式分别对电机转速为1500r/min、600 r/min弧形支撑和直支撑基座及其骨架结构的减振效果进行计算结果如表1-2所示。

3.3 试验结果分析

3.3.1 骨架形式对减振效果的影响

弧形支撑比直支撑具有更好的可设计性，在相同条件下能够保证一定基座刚度，并可以通过调整曲率半径来改变应变[4]。所以，直观上感觉弧形基座的减振效果应该比直支撑基座好，因为基座振动造成了弧形支撑基座曲率变化，以至于基座的刚度变化，从而造成了阻尼效果的变化。但是从试验结果来看，不同形式骨架夹芯复合材料基座的减振效果与输入载荷的频率有关，在高频载荷作用下弧形支撑基座减振效果好于直支撑基座，在低频载荷作用下弧形支撑基座减振效果反而不如直支撑基座。这是由于基座的隔振效果由阻抗和阻尼共同决定，两种基座刚度相差不大，但弧形支撑骨架是在高频激励下阻尼运动剧烈，所以此时隔振效果较好；而在低频段，弧形支撑骨架基座更利于能量传递，所以此时弧形支撑骨架基座的隔振效果没有直支撑骨架基座好。

3.3.2 夹芯材料对减振效果的影响

加入芯材后的复合材料基座的减振效果明显高于单纯的骨架结构。对于基座，大部分测点减振效果都在10db以上，平均减少振动12db以上；而基座骨架减振效果大部分测点在5db以下。这表明芯材在基座减振过程中吸收了大部分的能量，芯材选取对基座的减振效果非常重要。

4 结束语

通过夹芯复合材料基座减振试验可以看出复合材料基座具有良好的减振效果；复合材料基座的减振效果与输入载荷的频率有关，在高频率载荷激励下，弧形支撑基座减振效果略好于直支撑基座；在低频载荷作用下直支撑基座减振效果好于弧形支撑基座，不同环境可以选择不同的基座。合理选用夹芯复合材料基座可以提高舰艇设备的减振降噪水平，复合材料减振基座在舰艇上具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]Cao J，Joachim L G.Test of a redesigned glass-fiber reinforced vinyl ester to steel joint for use between a naval GRP superstructure and a steel hull[J]. Composite Structures，2003，60（4）：439-445.

[2]Li W L，Lavrich P.Prediction of power flows through machine vibration isolators[J].Journal of Sound and Vibration，1999，224（4）：757-774.

[3]罗忠，朱 锡，简林安，等.承载/隔振夹芯复合材料基座设计[J].武汉理工大学学报，2009，31（16）：19-22.

[4]毛亮，梅志远，罗忠，等. 夹芯复合材料基座结构设计与强度分析[J].海军工程大学学报，2008，20（1）：98-102.

[5]曹明法，胡培.船用玻璃钢/复合材料夹层结构中的泡沫芯材[J].江苏船舶，2004，21（2）：3-6.