船用新型抗冲击隔振蜂窝基座

2015-12-30张相闻,杨德庆

振动与冲击 2015年10期

第一作者张相闻男，博士生，1990年11月生

通信作者杨德庆男，教授，博士生导师，1968年生

船用新型抗冲击隔振蜂窝基座

张相闻，杨德庆(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海200240)

摘要：利用蜂窝多孔材料良好的抗冲击吸能特性，改进面内刚度较低难以承载缺点，设计具有宏观负、正泊松比效应的新型船用抗冲击与低频隔振性能兼顾的蜂窝基座。调节内外圆环封板、上下面板刚度可调节蜂窝基座的固有频率及承载性能；调节蜂窝胞元壁厚、胞元角度及层数可调节基座抗冲击特性及低频隔振性能。研究保持蜂窝芯总质量不变的蜂窝层数及胞元壁厚对基座隔振性能及抗冲击性能影响，给出蜂窝胞元壁厚对基座强度、固有频率、振级落差及抗冲击性影响曲线。

关键词：船舶；振动；冲击；蜂窝基座

基金项目：国家自然科学

收稿日期：2014-03-17修改稿收到日期：2014-04-21

中图分类号:U661文献标志码：A

A novel marine impact resistance and vibration isolation cellular base

ZHANGXiang-wen,YANGDe-qing(State Key Lab of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:Using good impact resistance property of cellular material and improving its poor stiffness shortcomings at the same time, two new ship vibration isolation and anti-shock honeycomb bases with positive Poisson’s ratio effect and negative Poisson’s ratio effect were designed. By adjusting the stiffnesses of base’s upper and lower panels as well as inside and outside closure plates, the base natural frequencies and load-bearing performance were adjucted. By keeping the weight of honeycomb core, the effect of the thickness and layers of cellular unit on base’s vibration isolation and impact resistance performances were studied. The curves for effects of cell wall thickness on base strength, natural frequencies, vibration level difference and anti-shock performance were obtained. It was shown that the two new cellular bases have good performances of vibration isolation and impact resistance; megative Poisson’s ratio has a better effect.

Key words:ship; vibration; impact; cellular base

开发高效轻质减振抗冲击系统是船舶声学隐身及振动舒适性设计研究的前沿课题。传统的船用减振抗冲击系统主要有单、双层隔振及浮筏隔振等系统，且大多由常规形式结构及金属材料构成，减振、抗冲击性能难有大突破。因此须考虑新的设计理念，采用新结构形式及材料。蜂窝多孔材料具有高空隙率、低密度特点，蜂窝结构无界面问题，可避免严重的各向异性，广泛用于减振降噪[1-2]。采用蜂窝材料、利用优化设计实现蜂窝材料结构综合优化，已成为航空航天等领域实现结构高效、轻量化、低成本的有效措施。

国内外对蜂窝多孔结构已有大量理论、实验研究。Gibson等[3]通过理论分析、数值计算及实验等考察在单轴压缩与剪切载荷作用下蜂窝胞元尺寸对试样性能影响。Wang等[4]采用微极理论研究正六角形蜂窝胞元的蜂窝结构在垂向简谐力激励下动态变形及性能。Banerjee等[5]利用等效连续介质模型研究蜂窝结构在无激励时的自由振动特性。Höning等[6-7]研究正六角蜂窝结构面内抗冲击性能。陈金宝等[8]研究月球探测器所用铝蜂窝缓冲器性能。赵留平[9]设计基于夹层板的浮筏隔振系统，计算表明此类隔振系统优于常规隔振系统。大多工程材料在承受单轴拉伸时横截面会发生收缩，即正泊松比效应；而某些特殊材料却会发生侧向膨胀，呈异常的“拉胀(auxetics)”行为，即负泊松比效应。张梗林等[10]提出并设计具有宏观负泊松比效应的船舶新型蜂窝隔振器，并研究其动力学特性及隔振机理。该蜂窝隔振器虽集隔振器与多层减振结构于一体，但有关抗冲击性能研究并未涉及。

在文献[10]基础上，本文提出结构参数调节范围更广、抗冲击性能及低频隔振性能兼顾的新型船用隔振抗冲击蜂窝基座。设计具有宏观负、正泊松比效应两种类型船用抗冲击蜂窝基座，研究两种基座在相同蜂窝芯质量下，蜂窝构型、面板及内外圆环封板厚度、蜂窝层数及胞元壁厚等参数对基座隔振性能及抗冲击性能影响，探讨新型蜂窝基座抗冲击及减振机理。

1抗冲击隔振蜂窝基座结构设计参数

本文提出的抗冲击隔振蜂窝基座由上下面板、蜂窝胞元组及内外圆环封板组成。蜂窝基座可设计参数包括面板厚度、内外圆环封板厚度、蜂窝层数、蜂窝胞元壁厚、胞元角度及材料类型等，最终尺寸取决于机器设备(振源)的振动频率、振动强度、减振抗冲击要求及基座安装空间等因素。蜂窝基座中蜂窝胞元组由基础胞元旋转而成，旋转角度为20°。基础胞元高度由层数决定，即h=内外圆封板半径差÷胞元层数，宽度由两组射线确定，夹角分别为10°及6°，见图1。蜂窝基座原始设计中，外形尺寸长600 mm，高400 mm，内圆环封板半径66 mm，外圆环封板半径230 mm，内外圆环封板厚度均3 mm；上下面板长600 mm，宽230 mm，厚6 mm；蜂窝胞元壁厚1mm，见图2。

图1　外、内六角蜂窝胞元尺寸示意图 Fig.1 Basic cell diagram

图2　蜂窝基座 Fig.2 Honeycomb mounting

支承于板架的蜂窝隔振系统有限元模型见图3，由蜂窝基座及板架构成，采用四边形单元网格，动力设备质量500 kg，重心相对上面板高度400 mm。板架长1 800 mm，宽1 000 mm，板厚6 mm，板架纵骨用T型材TN50×50×5×5，肋骨用等边角钢L30×3，扶强材用T型材TN25×25×3×3。板架及基座均用屈服强度为390 MPa高强度钢制造，材料弹性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。分两种情况研究蜂窝基座结构静动力学特性，即蜂窝基座固定支承于刚性基础、蜂窝基座固定于板架，板架四周简支。

图3　蜂窝隔振系统有限元模型 Fig.3 Finite element model of honeycomb isolator system

1.1结构参数对蜂窝基座力学性能影响

基于基座原始设计，保持蜂窝胞元组总质量不变，不同蜂窝层数及胞元壁厚下宏观正、负泊松比效应蜂窝基座结构参数见表1。

表1　正、负泊松比蜂窝基座蜂窝胞元壁厚

1 kN静力作用下固定于板架的正泊松比效应及宏观负泊松比效应蜂窝基座隔振系统最大应力、位移及屈曲因子计算结果见表2、表3。由表2、3可知，设计的正、负泊松比效应蜂窝隔振系统均具有较大屈曲因子。应力云图见图4。由图4看出，结构最大应力在蜂窝基座外圆环封板与板架连接处，蜂窝基座内圆环封板应力大于胞元应力，起主要承载作用。因此，设计蜂窝基座时增加内圆环封板及外圆环封板厚度可提高承载能力。蜂窝胞元组应力在蜂窝基座中呈X形分布。随蜂窝胞元厚度减小隔振系统最大应力及应变均呈递增趋势。蜂窝芯质量相等时相同胞元层数的正泊松比蜂窝隔振系统的静力性能优于负泊松比蜂窝隔振系统。值得注意的是，10层胞元负泊松比蜂窝隔振系统在相同静力作用下结构应力出现较大峰值。

1 kN静力作用下底部固定于刚性基础的宏观正、负泊松比效应蜂窝基座最大应力、位移及屈曲因子计算结果见表4、表5。

表2　正泊松比效应蜂窝基座隔振系统

表3　宏观负泊松比蜂窝基座隔振系统

图4　负泊松比三层胞元蜂窝隔振系统应力云图 Fig.4 Stress cloud of triple negative Poisson’s ratio cell cellularsystem

表4　正泊松比效应蜂窝基座

表5　宏观负泊松比蜂窝基座

针对5层负泊松比效应蜂窝基座(蜂窝胞元厚度表1)在给定载荷作用下，固定支承于刚性基础的不同内外圆环封板厚度及上下面板厚度下蜂窝基座最大应力、位移值及屈曲因子计算结果见表6～表8。对比可知，增加内圆环封板厚度能有效降低蜂窝基座最大应力及位移，但当板厚超过6 mm时降低效果不明显。增加外圆环封板厚度对减小最大应力、变形作用不明显。增加上下面板厚度可显著降低最大应力，但对减小变形作用不大。因变形主要由蜂窝胞元产生，与上下面板关系不密切。结构整体强度满足使用要求。

表6　不同内圆环封板厚度的蜂窝基座

表7　不同外圆环封板厚度蜂窝基座

表8　上下面板不同厚度下蜂窝基座

1.2结构参数对蜂窝基座隔振性能影响

蜂窝基座主要用于减弱设备振源向船底板架传递振动，因此对减振性能有重要影响的模态主要为隔振系统垂向振动模态。固定于板架的正、负泊松比蜂窝隔振基座垂向一阶固有频率计算结果见表9，底部固定于刚性基础的5层负泊松比蜂窝基座在不同内外圆环封板及上下面板厚度下垂向一阶固有频率计算结果见表10。由表9可知，蜂窝芯质量不变时，随蜂窝层数增多(即蜂窝胞元壁厚相应减少)基座固有频率逐渐降低。因此，在保证结构强度与刚度条件下，降低蜂窝胞元壁厚利于避免隔振系统与动力设备发生共振。由表10可知，随内外圆环封板及上下面板厚度增加，5层宏观负泊松比蜂窝隔振基座的垂向一阶固有频率不断变大，该频率主要受内外圆环封板厚度调节，上下面板厚度影响较小。

考虑固定在板架上的蜂窝隔振系统综合隔振性能评价。在主机质心处施加1～1 000 Hz幅值1N的简谐垂向激振力，对蜂窝隔振基座进行频响分析并评价隔振效果。计算中系统模态阻尼系数取2%。评价点见图5。为避免局部振动对评价结果影响，所有评价点均选取骨材上点，0号为激振点。

表9　正、负泊松比蜂窝隔振系统固有频率

表10　五层负泊松比蜂窝隔振基座不同板厚下固有频率

图5　评价点分布示意图 Fig.5 Evaluation point distribution diagram

本文对蜂窝基座减振性能评估采用评价点振级落差度量。振级落差定义为振动系统在弹性安装情况下弹性支承上下评价位置振动响应之比。加速度振级落差表达式为

(1)

计算获得蜂窝基座加速度振级落差曲线见图6。由图6可知，在50～150 Hz范围内蜂窝隔振系统未起减振作用。正泊松比蜂窝减振系统明显的减振效果出现在150～300 Hz范围内，而负泊松比蜂窝减振系统在低、高频时均能起减振作用。

评价点总振级计算式为

(2)

式中：N为计算频率区间输出频率点数目。

基座系统平均振级计算式为

(3)

式中：M为评价点数目，本文M=8。

在船用主机工作频段18 Hz内，隔振系统平均加速度振级落差曲线见图7。由图7可知，单独考虑船用主机工作频段(18 Hz)减振效果时，负泊松比蜂窝减振系统明显优于等层数的正泊松比蜂窝隔振系统。

图6 全频段蜂窝隔振系统加速度振级落差Fig.6Full-bandcellularisolationsystemaccelerationvibrationleveldifference图7 正、负泊松比蜂窝减振系统平均加速度振级落差Fig.7Cellularisolationsystemaverageaccelerationvibrationleveldifference

通过3次样条曲线插值拟合，得正、负泊松比蜂窝隔振系统在蜂窝芯质量相等时平均振级与蜂窝层数的函数表达式为

0.0003x+1.2644

(4)

0.0004x+1.2513

(5)

式中：x为蜂窝基座胞元层数。

因此，蜂窝芯质量相等时，两者的减振效果均随蜂窝层数增加而增强，负泊松比蜂窝隔振系统隔振效果优于正泊松比蜂窝隔振系统。随蜂窝层数增加，加工制造难度增大，故选用蜂窝隔振器时应避免蜂窝胞元层数过多。

1.3结构参数对蜂窝基座抗冲击性能影响

舰船设备抗冲击能力对提升舰船生命力具有重要意义，而基座抗冲击能力是舰船设备正常工作的基本保障。本文据德国军舰建造规范[11]，利用冲击反应谱计算不同结构参数下蜂窝基座抗冲击性能。冲击反应谱采用三折线谱，由等位移段、等速度段及等加速度段组成，见图8。据文献[12]，等位移谱值为0.02 m，等速度谱值为1.2 m/s，等加速度谱值为125 g(g=9.8 m/s2)。固定在板架上的正、负泊松比效应蜂窝基座隔振系统抗冲击性能计算结果见表11、表12及图9。

图8　三折线冲击谱 Fig.8 Three polylines shock spectrum

蜂窝层数351020最大von-Mises应力/MPa3.913.26.1619.9动力学放大系数0.2790.6190.1720.677

表12　负泊松比效应蜂窝基座抗冲击性能

图9　蜂窝基座冲击应力云图 Fig.9 The impact stress cloud of cellular base

由表11、表12可知，正、负泊松比效应蜂窝基座抗冲击性能均较好，结构最大Von-Mises应力值均在材料应力允许范围内，且位于蜂窝基座外圆环封板与板架连接处。相等蜂窝芯质量下，不同层数蜂窝基座间最大Von-Mises应力值及放大系数差异较大，此因蜂窝层数不同胞元扩张角亦不同，不同胞元扩张角会改变蜂窝材料中应力波传播特性，使材料局部屈曲因子及变形模式发生变化(由表2～表5也可发现10层胞元时结构一阶屈曲因子突变)，进而影响材料的宏观动态响应。由最大Von-Mises应力、放大系数变化趋势看出，负泊松比蜂窝基座抗冲击性能更稳定，故工程运用中应首先考虑负泊松比蜂窝基座。由图9看出，蜂窝基座冲击时结构应力分布与静载荷作用工况下结构应力分布类似，基座最大冲击应力存在于蜂窝基座与板架连接处，蜂窝基座内圆环封板应力大于蜂窝胞元应力，蜂窝胞元组冲击应力在蜂窝基座中也呈X形分布。

2蜂窝基座减振与抗冲击性能总结

保持蜂窝材料用量不变条件下，结合数值分析结果，分析本文蜂窝基座承载特点可知：①调节蜂窝胞元层数及壁厚可显著改变蜂窝基座一阶屈曲因子大小、调节基座隔振性能(振级落差)及基座抗冲击能力(动力学放大系数)，从而调节结构承载能力、抗冲击及隔振性能。由此引起的蜂窝基座结构最大变形及蜂窝胞元应力变化不剧烈。②调节蜂窝基座内外圆环封板厚度可显著调节蜂窝基座固有频率，从而起到对振动调谐功能。③满足蜂窝基座结构强度、刚度要求主要通过调节内外圆环封板及上下面板厚度实现。加大内外圆环封板、上下面板厚度可降低基座结构最大变形及应力，提高整体结构一阶屈曲因子。

据此，可以初步获得蜂窝基座减振与抗冲击机理，即通过蜂窝胞元组具有多孔低刚度特性实现蜂窝基座抗冲击及高性能低频隔振；通过内外圆环板、上下面板承载能力满足结构强度、刚度及稳定性要求。

3结论

本文提出、设计了新型船用抗冲击隔振蜂窝基座，分别对具有宏观负、正泊松比效应蜂窝基座隔振及抗冲击性能进行对比研究，结论如下：

(1)在建立正、负泊松比蜂窝基座动力学分析有限元模型基础上通过设计不同结构尺寸，获得蜂窝胞元壁厚与隔振抗冲击系统最大应力、垂向第一阶固有频率、基座底部振级与振级落差、抗冲击性能间关系。

(2)计算结果表明，蜂窝基座具有良好的隔振抗冲击性能，且相等蜂窝芯质量下，综合保证刚度、强度、隔振及抗冲击性能设计结果，5层负泊松比蜂窝基座具备良好的抗冲击减振性能，且制造加工难度低，适合工程应用。

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