CN102748420B - 基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏 - Google Patents
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Abstract
一种基于波型转换和振动局域的手性周期结构浮筏，主要由上面板、中间的多个手性周期结构以及下面板构成，所述多个手性周期结构通过上、下面板装配成一体，多个手性周期结构并排设置在所述面板的长度和宽度方向上，在长度和宽度方向形成周期性；在所述面板的厚度方向上，手性周期结构是由多层节点以及其周围的韧带组成的周期结构。本发明所提供的手性结构周期浮筏，应用了周期结构产生的阻带通带机制和手性周期结构所具有的波型转换和振动局域效应的作用，使得振动传递在浮筏隔振装置中得到限制和局域，增加浮筏装置中的振动衰减效果，使得手性周期结构浮筏装置具有低频和宽频带的振动衰减特性，以及吸收冲击能量的能力优于传统浮筏装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种减振、降噪装置，更具体的说，涉及一种基于波型转换和振动局域效应及周期结构阻带的浮筏隔振装置。
背景技术
潜艇作为海军杀手锏武器和活动战略武器平台，承担着捍卫国家海洋国土安全、维护和保障海洋权益的任务。在潜艇的三个独特性能中（隐蔽性、机动性、突击性），隐蔽性对潜艇是至关重要的，直接决定潜艇的生存力和战斗力，也是完成各种战术和战略任务的前提。
潜艇水下噪声源可分为机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声。机械噪声占有非常重要的地位，机械噪声本质上为纯频噪声，其频谱为线谱，频率范围是10Hz～1000Hz，主要包括主、辅机运转，管道噪声和空气噪声。试验表明，潜艇在电力推进工况下，低速航行时的噪声主要来自机械噪声，约占总辐射噪声级的70%左右，主要来源于潜艇内部的主、辅机和轴系的运转通过浮筏、基座传递并激励壳体，引起壳体振动并向周围水介质中辐射噪声。作为减振/隔振平台，浮筏是目前对机械设备振动进行集中隔离的最好途径。浮筏隔振装置是将整舱内所有的机械设备弹性或刚性安装在一个公共的浮筏筏体上，筏体弹性支撑或悬挂在壳体结构上，通过机械绝缘和减振的方法来减小机械振动，从而降低潜艇的辐射噪声。针对潜艇和舰船上的机组设备的浮筏隔振装置，由于受到质量约束和尺寸约束等原因，需要在小质量小尺寸下实现尽量大的振动衰减。目前的浮筏隔振装置主要由平板焊接而成，按照结构形式分，主要有平板箱型浮筏，V型浮筏和复杂V型浮筏。这些浮筏没有充分利用浮筏中各个子结构之间的衰减机制，质量和刚度分布不合理，无法形成宽频带的振动衰减。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技 术问题，本发明提供一种基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，综合应用了周期结构产生的阻带机制和手性结构所具有的波型转换和振动局域的效应，使振动传递在浮筏隔振装置中得到衰减和局域，增加了浮筏装置中的低频窄带线谱和宽频带内振动衰减的效果，使其隔振性能得到显著提高。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，主要由上面板、中间的多个手性周期结构以及下面板构成，所述多个手性周期结构通过上、下面板装配成一体，多个手性周期结构并排设置在所述面板的长度和宽度方向上，在长度和宽度方向形成周期性；在所述面板的厚度方向上，手性周期结构是由多层节点以及其周围的韧带组成的周期结构，振动沿着该厚度方向进行传播时，会由韧带结构产生波的传递和转换，以及形成周期结构的阻带特征，使得振动得到极大的衰减。
所述上、下面板在各个手性周期结构之间有加强筋，以增加各个手性周期结构之间的衰减。
所述节点内填充大密度的质量，以增加节点的转动惯量，从而降低发生波型转换和振动局域时的频率。
所述韧带是直线韧带，个数可以是3个、4个、6个或8个，连接角度可以为任意。
所述韧带是弯曲韧带，以降低韧带的扭转刚度，从而降低发生波型转换和振动局域时的频率，个数可以是3个、4个、6个或8个，连接角度可以为任意。
在所述节点以及由韧带围成的空腔区域内填充多孔材料或金属橡胶，以增加振动传递的损耗。
手性周期结构和外力相互耦合后，能够将结构振动转化为手性周期结构中韧带的弯曲振动和节点的旋转振动。在周期浮筏装置中利用手性周期结构作为单元形成周期结构，可以将传递到浮筏装置的较易传播的弯曲振动转化为手性周期结构中韧带的弯曲振动和节点的旋转振动，从而使得振动局域在手性结构中，不会传递到下层面板，因此可减少机组设备的振动传递，降低基础结构的振动级和噪声辐射水平。这种机制在低频也可实现。因此，通过该结构的振动传递曲线在低频内会出现窄带谷值。
手性周期结构作为周期结构的一种，具有周期结构所特有的带隙特性。根据弹性波的传播理论可知，由于Bragg散射，波在周期性结构中传播时会形成特殊的阻带和通带结构。在阻带范围内，结构中不存在波的传递。利用这个机理，将浮筏装置设计成沿着振动传播方向的多层周期结构，可以得到宽频段的隔振结构。手性周期结构的带隙特性与其几何参数密切相关，因此通过改变手性周期结构的几何参数调节阻带的频率范围，指导浮筏装置的设计。
从能量的角度来看，由于手性周期结构的节点较多，其模态密度较大，由这些模态消耗的能量较多，使得传递到基础结构的能量大大降低。为增加低频段的波型转换和振动局域效果，可以在节点中填充密度较大的质量或将韧带由直线韧带变为弯曲韧带，前者可以增加节点的转动惯量，后者可以降低韧带的扭转刚度，因此均能降低发生波型转换和振动局域的频率。为增加振动传递的损耗，可以在节点以及由韧带围成的空腔区域内填充多孔材料（如泡沫铝）或金属橡胶，从而在波型转换过程中提高摩擦系数，增加能量的损耗。在遭受瞬时冲击波时，多孔材料发生塑性变形，可以吸收大量的能量，从而降低了冲击载荷在浮筏装置中的传递。
利用手性周期结构产生的阻带通带机制，因此，通过该结构的振动传递曲线在较高频率会出现宽频衰减特性。
因此，本发明所公开的浮筏装置，用于舰船和潜艇的主、辅机安装的装置，该装置具有隔离主、辅机振动产生的低频窄带线谱以及宽频带振动传递和抑制由振动传递导致的辐射噪声的功能。
附图说明
图1是本发明的浮筏结构示意图；
图2（a）是图1的正视图；
图2（b）是图1的侧视图；
图3是本发明中的手性周期结构示意图；
图4是手性周期结构中韧带和节点的连接示意图；
图5（a）～图5（c）是节点和韧带的三种组成形式。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案做一详细的说明：
如图1和图2（a）、（b）所示，本发明所公开的基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，由上面板1、中间的多个手性周期结构2和下面板3构成。面板和手性周期结构之间采用螺栓连接。在上、下面板1，3上安装隔振器，以便于与上、下连接件进行连接。另一方面，通过上、下面板1，3将多个手性周期结构2装配成一体。上、下面板1，3在隔振器或机脚安装处可以采用加强筋进行加强。中间的多个手性周期结构2是浮筏装置的主体部分，该多个手性周期结构2沿着面板的长度方向和宽度方向周期性排列。为增加各个手性周期结构2之间的振动衰减，可以在两个手性周期结构2之间的面板上布置加强筋5。在面板的厚度方向是振动传递的主要方向，在该方向上，手性周期结构2是一由多层节点21以及其周围的韧带22组成的周期结构。振动沿着该厚度方向经进行传播时，会由韧带22产生波的传递和转换，以及形成周期结构的阻带特征，使得振动得到极大的衰减。
图3是本发明的手性周期结构2的结构示意图。图4是图3中韧带22和节点21的连接示意图，图中的圆环部分称为节点21，连接相邻圆环，并与圆环相切的部分称为韧带22，其胞元在空间结构上具有旋转对称性。在节点21中填充材料4。
图5（a）～图5（c）是节点21和韧带22的三种组成形式，其中图5（a）中，节点21中的填充材料4是密度较大的质量，以增加节点的转动惯量；图5（b）是将节点21周围的韧带22由直线韧带变为弯曲韧带，以降低韧带的扭转刚度。上述两种结构形式都是为了降低发生波型转换和振动局域时的频率。图5（c）中，节点21中的填充材料4是多孔材料或金属橡胶，以增加振动传递的损耗。
当振动经过上面板传递给各个手性周期结构时，由于波型转换机制，相当一部分的振动转化为节点和韧带的局部振动，振动能量不向下面板传递；而手性周期结构的阻带特性也会使得某些频率范围内振动得到衰减。因此相对于上部面板，下部面板上的振动将会得到极大的衰减。而另一方面，通过在节点内填充多孔材料或金属橡胶，能够有效地吸收由基础传递到浮筏的冲击能量，从而在舰船受到冲击时起到保护机组设备安全的作用。
上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (6)
1.一种基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，其特征在于，主要由上面板、中间的多个手性周期结构以及下面板构成，所述多个手性周期结构通过上、下面板装配成一体，多个手性周期结构并排设置在所述面板的长度和宽度方向上，在长度和宽度方向形成周期性；在所述面板的厚度方向上，手性周期结构是由多层节点以及其周围的韧带组成的周期结构，振动沿着该厚度方向进行传播时，会由韧带结构产生波的传递和转换，以及形成周期结构的阻带特征，使得振动得到极大的衰减。
2.根据权利要求1所述的基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，其特征在于，所述上、下面板在各个手性周期结构之间有加强筋，以增加各个手性周期结构之间的衰减。
3.根据权利要求1所述的基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，其特征在于，所述节点内填充大密度的质量，以增加节点的转动惯量，从而降低发生波型转换和振动局域时的频率。
4.根据权利要求1所述的基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，其特征在于，所述韧带是直线韧带，个数是3个、4个、6个或8个，连接角度可以为任意。
5.根据权利要求1所述的基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，其特征在于，所述韧带是弯曲韧带，以降低韧带的扭转刚度，从而降低发生波型转换和振动局域时的频率，个数是3个、4个、6个或8个，连接角度可以为任意。
6.根据权利要求1所述的基于波型转换和振动局域的手性结构周期浮筏，其特征在于，在所述节点或者由韧带围成的空腔区域内填充多孔材料或金属橡胶，以增加振动传递的损耗。
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