CN103600809B - 一种减振降噪船体结构柔性夹层板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减振降噪船体结构柔性夹层板，包括框架和覆盖框架两开口端且与框架相连接的内面板和外面板以及安置于内外面板之间的柔性夹层，其特征在于：所述的内面板和外面板的相对面上还分别设置有胶粘层；所述的柔性夹层由若干个等距分布的圆柱波纹状薄壳柔性结构体组成，所述的圆柱波纹状薄壳柔性结构体的两端面通过胶粘层分别与所述的内面板和外面板相连接。本发明用柔性夹层板取代传统的船体外壳板筋结构，兼备船舶壳体结构功能与减振降噪功能于一体，比传统船体外壳板筋结构的减振效果提高5dB以上，隔声效果提高10dB以上；既保持船舶壳体结构的承载能力，又能提高船体结构的隐身效果。

Description

一种减振降噪船体结构柔性夹层板

技术领域

本发明属于船体结构技术领域，涉及一种船体结构用的夹层板，更具体地说，是涉及一种减振降噪船体结构柔性夹层板。

背景技术

江苏科技大学的王自立教授在发表了一篇名称为《基于夹层板的单壳船体结构耐撞性设计》的学术论文：质量相等的前提下，用夹层板代替船体外板及骨材(纵骨或肋骨)。具体描述如下：夹层板上下蒙皮代替船体外板，船体外板是主要的吸能构件，夹层板代替船体外板可以充分利用夹层板优良的吸能特性，说明夹层板用于舰船和潜艇的外壳结构不仅在耐撞性方面有一定的优势，在减振降噪方面也有一定研究价值。

专利公开号为CN101670880A，名称为“船用组合抗冲击防护结构及其应用”，该专利提供的是一种船用组合抗冲击防护结构及其应用。其组成包括内壳板、夹层板、连接于内壳板和外壳板之间的支撑结构。该发明中支撑结构采用刚性结构，虽然通过不可逆的塑性变形达到一定的吸能作用，但刚性结构的吸能效果远远小于柔性结构的吸能效果，抗冲击方面效果并不理想，而在减振降噪方面更没有采取相应的措施。

声隐身性能作为舰船和潜艇隐身技术参数中最主要的指标，主要体现在抗敌主动声纳的探测能力及防敌被动声纳探测能力上，因而降低和屏蔽自身的辐射噪声是提高水下航行器隐身性能的有效措施。随着水下声对抗技术的不断发展，声纳对水下目标的识别和跟踪能力已经从低频向高频大大发展，如何更有效地提高水下航行器的隐身性能，已成为当代海军装备技术中一个急需解决的重要课题。同时，艇内持续的振动和噪声会令舱内船员感到烦恼和疲劳。艇体结构共振还会影响艇内的仪表和设备的正常工作，降低使用精度、缩短使用寿命。因此，在水下航行器的设计初期，就应该对未来航行器的声学性能有充分的了解，并且尽量地加以控制。

水中隔声去耦的基本途径与原理：一是当材料的声阻抗与传播声波流介质的声阻抗匹配时，大部分的声波能进入材料内部，若材料的阻尼性能好，则进入材料内部的声能大部分转变成热能而被耗散，因此，提高阻尼性能是实现隔声去耦的主要途径之一；二是利用材料的声阻抗与传播声波流介质的声阻抗失配，大部分声波不能进入材料内部而被阻挡；此外，材料的二次结构或者三次结构还会影响声波在材料内部发生反射、折射、波形转化，从而实现隔声去耦。

为提高舰船的声隐身性能，国内外常在船舶壳体外安装消声瓦或隔声去耦结构，但是安装在船舶壳体外的消声瓦或隔声去耦结构可能发生脱落，以及消声瓦或隔声去耦结构在海水中易老化，并导致其减振降噪性能下降，这些问题影响了消声瓦或隔声去耦结构的性能，且至今难以解决。

本发明的柔性夹层结构中内部夹层的设计不是为了增加结构的刚度，而是使其具有合适的柔性，并改变结构噪声传递的路径，避免传统夹层结构中加强筋对振动噪声的直接传递或“声短路”，从而使其有理想的减振降噪及吸能效果。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题和缺陷，提供一种减振降噪船体结构柔性夹层板。

为达到上述目的，本专利解决上述问题所采取的技术方案是：

一种减振降噪船体结构柔性夹层板，包括框架和覆盖框架两开口端且与框架相连接的内面板和外面板以及安置于内外面板之间的柔性夹层，其中所述的内面板和外面板的相对面上还分别设置有胶粘层；所述的柔性夹层由若干个等距分布的圆柱波纹状薄壳柔性结构体组成，所述的圆柱波纹状薄壳柔性结构体的两端面通过胶粘层分别与所述的内面板和外面板相连接。

上述所述的圆柱波纹状薄壳柔性结构体为封闭螺纹管结构，所述的螺纹管分为上中下三段，其中上下两段均为螺纹管，中间段为直管。

上述所述的螺纹管的上下两段螺纹管的高度分别为螺纹管高度的2/5，中间直管的高度为螺纹管高度的1/5，直管中部沿圆周壁上还均布有若干个小孔。所述小孔的数量为6～8个，小孔的直径为2mm～3mm。

上述所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体的高度为40～100mm，高度与直径的比值为1～3。所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体的材质为高弹性金属材料，优选为锰合金钢材料。所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体中还填充有多孔吸声材料。

上述所述的胶粘层为表面具有良好粘性的粘弹性阻尼材料。

上述所述的框架、内面板和外面板均采用碳钢材料。

所述的框架沿四面壁上还均布开有若干个孔洞。

本发明的一种减振降噪船体结构柔性夹层板具有的优点和有益效果：

1、利用柔性夹层与内面板、外面板之间形成共振式消声结构，由圆柱波纹状薄壳结构内形成若干个共振腔，声波在夹层结构中传播时，一部分声波通过圆柱波纹状薄壳结构上的孔洞进入共振腔内，当其频率与共振腔的共振频率相接近时，将引起共振腔的共振，把声能转化为热能，从而达到消声的目的，并利用柔性夹层结构和粘弹性介质的协调阻尼作用吸收能量，使隔声效果提高10dB以上。

2、利用柔性结构内部刚度小、柔性大的特点以达到吸收缓释能量的目的，借助夹层结构的质量和柔性夹层结构的刚度、阻尼形成的减振系统，衰减由夹层结构的内面板传递到外面板的振动，可实现比传统船体外壳板筋结构的减振效果提高5dB以上。

3、采用胶粘层在起到粘接和固定作用的同时，利用胶粘层与内面板、外面板之间的阻抗失配衰减振动波的传递，并对内面板、外面板薄壳结构具有阻尼减振和隔声的作用。

4、本发明的夹层结构采用若干个圆柱螺纹管薄壳结构，利用薄壁结构的弹性和高比吸能特性，将圆柱波纹状薄壁结构行与列之间间隙排列，使其局部承压能力和冲击能量吸收能力良好。

附图说明

图1是本发明的一种减振降噪船体结构柔性夹层板的构造剖视图，

图2是图1的A-A视图，

图3是圆柱波纹状薄壳柔性结构体的放大视图，

图4是波纹管端面俯视图，

图5是框架3的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种减振降噪船体结构柔性夹层板作进一步的详细说明。本说明仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的保护范围进行限定。

如图1、图2和图3所示，一种减振降噪船体结构柔性夹层板，由外面板1、内面板2、框架3、柔性夹层4、小孔5、外胶粘层6和内胶粘层7、主体腔Ⅰ和共振腔Ⅱ构成；其中由四面围成的框架3的两开口端分别被内面板2和外面板1覆盖并焊接连接，所述的内面板2和外面板1的相对面上还分别设置有胶粘层6、7；所述内面板2和所述外面板1之间安置有柔性夹层4，所述的柔性夹层4由若干个等距分布的圆柱波纹状薄壳柔性结构体组成，所述的圆柱波纹状薄壳柔性结构体的两端面通过胶粘层6、7分别与所述的内面板2和外面板1相连接。所述的圆柱波纹状薄壳柔性结构体为封闭螺纹管结构，所述的螺纹管分为上中下三段，其中上下两段均为螺纹管，中间段为直管。所述的螺纹管的上下两段螺纹管的高度分别为螺纹管高度的2/5，螺纹规格采用G1/4管螺纹；中间直管的高度为螺纹管高度的1/5，直管中部沿圆周壁上还均布有若干个小孔5(如图3所示)。所述小孔5的数量为6～8个，小孔5的直径为2mm～3mm。所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体的高度为40～100mm，高度与直径的比值为1～3。所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体的材质为高弹性金属材料，优选为锰合金钢材料。所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体中还填充有多孔吸声材料。所述的胶粘层6、7为表面具有良好粘性的粘弹性阻尼材料。所述内面板2和外面板1均采用碳钢板材料，板的厚度为4～10mm。所述框架3的板厚为3～5mm，板高为外面板1和内面板2之间的间距，并在板上开有若干个方形或其它形状的孔洞(如图5所示)，使外面板1和内面板2之间保持一定的刚度，并减少外面板1和内面板2之间结构振动的直接传递。

上述所述的圆柱波纹状薄壳柔性结构体的成型制造，其中包括管坯制造和波纹管成型两部分。管坯制造采用凹凸模具经多次拉伸再经旋转引拔(旋压)制造；波纹管是把管坯装在专用机床上用液压成型波纹。用液压方法向外膨胀形成波纹管时，在端面留出一定的粘合面，方便圆柱波纹状薄壳柔性结构体与胶粘层的粘结。

本发明的减振降噪船体结构柔性夹层板的实现原理是：借助所述夹层板的质量和所述柔性夹层的刚度、阻尼形成的减振系统，衰减由所述内面板传递到所述外面板的振动；利用所述外胶粘层、所述内胶粘层与所述内面板、所述外面板之间的阻抗失配衰减振动波的传递，达到阻尼减振和隔声的作用；所述柔性夹层与所述内面板、所述外面板之间形成共振式消声结构，利用所述共振腔Ⅱ的共振来消耗所述主腔体Ⅰ的声波能量，达到消声的目的；其消声的原理是：声波在夹层结构中传播时，一部分声波通过圆柱波纹状薄壳结构上的孔洞进入旁接的共振腔Ⅱ内，当其频率与共振腔Ⅱ的共振频率相接近时，将引起共振腔Ⅱ的共振，把声能转化为热能，从而达到消声的目的。

具有一定刚度和阻尼的所述柔性夹层结构与具有一定质量的所述外面板和所述内面板形成减振系统，当船舶振动源频率与减振系统固有频率的比值大于1.4倍时，由所述内面板传递到所述外面板的振动将衰减，且振动源频率与减振系统固有频率的比值越大，减振效果越明显。

对于圆柱波纹状薄壳结构形成的共振腔的共振式消声，其消声量为：

$TH=10lg\[1-\frac{K^2}{{(\frac{f}{f_r}-\frac{f_r}{f})}^2}\];f_r=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{G}{V}};G=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4(t+0.8d)};K=\frac{\sqrt{GV}}{2S};$ 其中f为声波的频率，f_r为共振频率，G为介质的传导系数，V为共振腔体积，S为小孔面积，t为小孔径长，d为小孔直径。孔心距＞5d，各孔之间声辐射不干涉。根据要消除的声波的主要频率和消声量，确定相应的K值，求出共振腔的体积和传导系数，设计圆柱波纹状薄壳结构的几何尺寸。

Claims (10)

1.一种减振降噪船体结构柔性夹层板，包括框架和覆盖框架两开口端且与框架相连接的内面板和外面板以及安置于内外面板之间的柔性夹层，其特征在于：所述的内面板和外面板的相对面上还分别设置有胶粘层；所述的柔性夹层由若干个等距分布的圆柱波纹状薄壳柔性结构体组成，所述的圆柱波纹状薄壳柔性结构体的两端面通过胶粘层分别与所述的内面板和外面板相连接。

2.根据权利要求1所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述的圆柱波纹状薄壳柔性结构体为封闭螺纹管结构，所述的封闭螺纹管分为上中下三段，其中上下两段均为螺纹管，中间段为直管。

3.根据权利要求2所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述的封闭螺纹管的上下两段螺纹管的高度分别为封闭螺纹管高度的2/5，中间直管的高度为封闭螺纹管高度的1/5，直管中部沿圆周壁上还均布有若干个小孔。

4.根据权利要求3所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述小孔的数量为6～8个，小孔的直径为2mm～3mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体的高度为40～100mm，高度与直径的比值为1～3。

6.根据权利要求1或2所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体的材质为高弹性金属材料。

7.根据权利要求1或2所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述圆柱波纹状薄壳柔性结构体中还填充有多孔吸声材料。

8.根据权利要求1所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述的胶粘层为表面具有良好粘性的粘弹性阻尼材料。

9.根据权利要求1所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述的框架、内面板和外面板均采用碳钢材料。

10.根据权利要求1或9所述的一种减振降噪船体结构柔性夹层板，其特征在于：所述的框架沿四面壁上还均布开有若干个孔洞。