CN106494012B - 基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板 - Google Patents

基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板，包括通过热压烧结制备不同成分界面和层厚比的三层结构，三层结构由上至下依次是上层金属层、中层金属层和基层金属层，上层金属层和基层金属层的材料为铁粉，中层金属层的材料是铬粉、铝粉或者铬粉与铝粉的混合物。本发明可用于防火要求极高又对振动噪声性能有一定要求舰船和海洋工程结构物的舱室壁板，以及舰船和海洋工程结构物非强力支撑结构板架，可实现有效减缓结构振动、降低舱室噪声的功能。

Description

基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板
技术领域
本发明涉及一种基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板，属于舰船和海洋工程结构物减振防火领域。
背景技术
无论是水面舰船、海洋工程结构物还是水下潜艇，在航行及工作过程中，不仅受到静载荷作用，而且经常会受到强烈的动载荷作用，经常处于恶劣的环境中，受到强烈的振动与冲击、高分贝噪声及恶劣的气象条件的作用，导致结构寿命降低、仪表失灵，从而诱发一系列严重事故。对于潜艇而言，结构振动是其产生水下噪声的根源，而过大的水下噪声将会使艇体完全暴露在敌方声呐探测范围中，大大削弱潜艇生命力。舰船结构振动时，能量以振动波的形式从动力设备安装板架处向各个舱室板架及舰船外板传播。振动能量除了与动力设备直接相关外，还与传播路径中板架的阻尼有着重要关系，特别是当部分板架受振动波激励而发生共振时，该板架阻尼大小将直接决定其振动的剧烈程度及向外传播的振动能量，高阻尼的板架不仅可以有效吸收传递路径上振动波的能量，而且对于抑制和减缓板架共振具有十分明显的效果。
通过对现有技术的文献检索发现，近年来，关于锯齿形高阻尼合金板相类似的专利文献鲜有发表，与本发明申请有关的公开资料主要包括：1、多层阻尼复合结构振动及声辐射分析(2012年工学硕士论文)；2、复杂结构的阻尼减振理论及设计方法研究(2010年工学博士论文)3、锯齿板储能换热单元释热性能的研究(《第一届全国储能科学与技术大会》会议论文，2014)。
文献1主要围绕粘弹性多层阻尼复合结构声振特性开展研究，采用Timoshenko厚梁理论及广义协调元方法确定单元各层的位移场，提出了一种新型的层合壳单元构造方法，利用结构有限元和声学边界元方法对阻尼复合结构的振动及声辐射特性进行分析，分析讨论了各阻尼层材料弹性模量、密度、阻尼损耗因子以及阻尼层铺设顺序对辐射声功率的影响，与本专利存在较大的差异。文献2主要以飞行器结构振动控制为研究目标,在对粘贴材料用量和安装阻尼器重量进行严格控制的情况下,采用变密度拓扑优化方法对约束阻尼板结构约束层和阻尼层布局优化问题进行了研究,针对振动系统中阻尼器位置及参数优化问题，提出了分步优化方法，考虑阻尼器自身重量的影响，对一般阻尼结构模态阻尼比位置灵敏度进行了分析，建立了阻尼器位置优化模型,解决在复杂结构上合理铺设约束阻尼材料和有效布置阻尼器的问题，实现复杂结构的动力学性能优化设计,与本专利存在较大的差异。文献3主要围绕高温熔融盐锯齿板相变换热器开展数值模拟研究，在考虑自然对流的情况下，对比研究m-PCMs(multiple phase change material)排列方向、相变温差以及HIF(heat transfer fluid)进口工况对释热性能的影响，结果表明，m-PCMs反向排列优于正向排列，锯齿板储能换热装置有很好的稳温功能，与本专利差异巨大。
综上所述，已公开发表的文献与本发明均有较大差异，并且尚无相关专利申请，本发明对基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板的作用原理、使用范围进行了介绍，为舰船及海洋工程结构物上的减振吸振提供了一种全新的结构，而且本发明具有结构简单、安装方便、易于操控等优点，对舰船及海洋工程结构物减振吸振方法的研究有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板，可在较宽频带范围内降低结构振动、抑制和减缓结构共振，有效改善舰船及海洋工程结构物的振动及声学环境。
本发明的目的是这样实现的：包括通过热压烧结制备不同成分界面和层厚比的三层结构，三层结构由上至下依次是上层金属层、中层金属层和基层金属层，上层金属层和基层金属层的材料为铁粉，中层金属层的材料是铬粉、铝粉或者铬粉与铝粉的混合物。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板，其特征在于：上层金属层的下表面、基层金属层的上表面以及中间金属层的上下两个表面均设置为锯齿形，且每个锯齿的齿面均是粗糙型齿面。
2.当低频结构振动为主要抑制对象时，每个锯齿的锯齿角度大于90度；当高频结构振动为主要抑制对象时，每个锯齿的锯齿角度小于60度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有结构形式简单，环境适应能力强(耐油污、耐潮湿、耐火等)、制作简便、适用范围广(船舶及海洋工程结构所有非强力支撑部位板架，特别适用于对防火要求极高的舱室壁板)等优点，可用于防火要求极高又对振动噪声性能有一定要求舰船和海洋工程结构物的舱室壁板，以及舰船和海洋工程结构物非强力支撑结构板架，可实现有效减缓结构振动、降低舱室噪声的功能。
1.本发明由上层金属铁层、中层金属铝铬层及基层金属铁层三部分结构构成，以铁粉、铬粉和铝粉等为原料，采用热压烧结制备不同成分界面和层厚比的层状铁基阻尼板，层与层之间的界面全部采用锯齿形设计；
2.锯齿形高阻尼合金板拥有多层界面，层间界面在外加应力作用下发生相对的微滑移现象，从而消耗了从外界来的振动能量，从而达到减振的效果；同时，高阻尼合金板金属设计可以有效阻绝火情蔓延，因阻尼层多是有机材料极易燃，本发明的金属材料具有燃点高、耐火性强等特点，也即具备很好的防火功能；
3.界面上下为粗糙表面，且锯齿形设计可增大粗糙面面积，有效增强界面对振动能量的吸收/消耗作用；
4.本发明结构简单、施工方便、效果显著，应用前景十分广泛。
附图说明
图1是本发明的具体结构示意图；
图2是基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板结构立体图；
图3是基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板横向剖面图；
图4是基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板纵向剖面图；
图中：1.上层金属层，2.中间金属层，3.基层金属层，4.锯齿形粗糙界面。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例一：结合图1至图4，本发明的基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板由上层金属层1、中层金属层2和基层金属层3组成，上层金属层和基层金属层的材料为铁粉，中层金属层的材料是铬粉、铝粉或者铬粉与铝粉的混合物，也即本发明以铁粉、铬粉和铝粉为原料，采用热压烧结制备不同成分界面和层厚比的层状铁基阻尼板，本发明所述金属层材料类型可由高阻尼板所在具体环境和承担的主要功能所定，可以选择铁、铝和铬等常用金属材料。如果工作环境或功能需求对高阻尼板质量特别敏感，需要严格控制板架及整体结构的质量，可以选择轻质铝；反之，可以选择较为廉价的铁。三种金属层厚度也可视需要而定，只要高阻尼合金板可以满足结构强度、刚度、稳定性及焊接性的要求即可。一般而言，高阻尼合金板上下两层要比中间基层厚，中间金属层约为下层厚度1/3-1/2。
实施例二：基于上述实施例，本发明的上层金属材料和基层金属材料在与中层金属材料相接触的界面处设计成锯齿形，且所有锯齿均是粗糙型齿面4。以防护结构的振动特性为目标，来确定锯齿形高阻尼合金板结构尺寸，当低频结构振动为主要抑制对象时，锯齿宽高比应适当大一些，即中间金属层锯齿略钝一些，锯齿角度大于90度；当高频结构振动为主要抑制对象时，锯齿宽高比应适当小一些，即中间金属层锯齿略锐一些，锯齿角度小于90度，最好小于60度；如对结构振动防护要求较高时，可适当增加中间金属层的厚度及锯齿齿面粗糙度。界面的粗糙型锯齿不但可以增加接触面积还可以增强摩擦程度，增大了锯齿形界面板对于振动能量的消耗，提高了锯齿形界面板阻尼系数，从而使更多的振动能量得以在摩擦作用下耗散。
虽然金属材料的固有阻尼很低，但在一个完整结构中大量构件的组合会形成明显的阻尼作用，而锯齿形设计又增加了界面面积，使得这种阻尼效应得以放大。拥有界面结构能够提升材料的阻尼性能，这是因为层间界面在外加应力作用下发生相对的微滑移现象，从而消耗了从外界来的振动能量。界面阻尼在复合材料中起到微观阻尼的作用，从而增大了复合材料的阻尼性能。这点目前国内金明江等人已经做了初步研究，发现基于贝壳层状仿生结构的金属基层状阻尼复合材料的阻尼性能优于单一金属基体阻尼材料。另外，利用粉末冶金制备出的层状铁基阻尼材料除了拥有界面阻尼的优势外，界面处由于烧结过程中的热膨胀系数不匹配产生的残余应力对材料的阻尼性能也有着很大改善。
本发明应采取如下方式进行实施：
(1)对舰船及海洋工程结构全船振动特性分析，确定舰船及海洋工程结构振动响应较大且需要采取减振防护措施的部位，特别是对于防火要求极高又对振动水平有限制的舱室壁板；
(2)根据全船振动特性分析，提出基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板的振动防护要求(包括阻尼系数、抑振性能等)；
(3)根据锯齿形高阻尼合金板对阻尼系数和抑振性能的要求设计中间金属层的厚度，包括锯齿长度、宽度与角度。在确定锯齿形高阻尼合金板结构尺寸时，需充分考虑防护结构振动特性，当低频结构振动为主要抑制对象时，锯齿宽高比应适当大一些，即中间金属层锯齿略钝一些，锯齿角度大于90度；当高频结构振动为主要抑制对象时，锯齿宽高比应适当小一些，即中间金属层锯齿略锐一些，锯齿角度小于90度，最好小于60度；如对结构振动防护要求较高时，可适当增加中间金属层的厚度及锯齿齿面粗糙度；
(4)按上述尺寸要求准备好制作锯齿形高阻尼合金板所需要铁粉、铬粉和铝粉等原料，采用热压烧结制备不同成分界面和层厚比的层状铁基阻尼板，上层金属铁层和基层金属铁层在与中层金属铝铬层相接触的界面处设计成锯齿形，且所有锯齿均是粗糙型齿面。

Claims (1)

1.基于界面效应的锯齿形高阻尼合金板，其特征在于：包括通过热压烧结制备不同成分界面和层厚比的三层结构，三层结构由上至下依次是上层金属层、中层金属层和基层金属层，上层金属层和基层金属层的材料为铁粉，中层金属层的材料是铬粉、铝粉或者铬粉与铝粉的混合物；上层金属层的下表面、基层金属层的上表面以及中间金属层的上下两个表面均设置为锯齿形，且每个锯齿的齿面均是粗糙型齿面；当低频结构振动为主要抑制对象时，每个锯齿的锯齿角度大于90度；当高频结构振动为主要抑制对象时，每个锯齿的锯齿角度小于60度。
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