CN106844884A - 一种用于舰船隔振的声子晶体结构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于舰船隔振的声子晶体结构及设计方法，包括声子晶体基体、弹簧和钨块，声子晶体基体为周期性分布蜂窝结构，弹簧对称设于蜂窝的内壁上，钨块设于蜂窝内部空腔，外壁与弹簧顶部相抵接，声子晶体基体的顶面及底面的四角位置分别设有上连接块和下连接块，上、下连接块通过接地线相连。本发明利用局部周期共振原理，具备弹性波带隙，提高隔振量。
Description
技术领域
本发明属于舰船隔振的技术领域，具体涉及一种用于舰船隔振的声子晶体结构及设计方法。
背景技术
随着实际舰船工程对辐射噪声、舱室噪声指标要求越来越高，传统的基于正等效质量密度/正等效刚度物理原理设计运动设备基座、双级隔振中间质量、浮筏筏架等隔振结构，在不同频段虽然都具备一定的隔振量，可实现一定的减振效果，但隔振量和减振效果有效，越来越无法满足实际舰船工程的需要。
弹性波带隙是指人工弹性体中弹性波被阻止传播的特定频率范围。2000年，刘正猷等人在论文中公开了基于负等效质量密度的局部共振机理人工声子晶体，可实现特定频段的弹性波带隙，在特定频段具有远高出传统结构物的隔振量，并公开了采用环氧基体、橡皮泥、铅球设计和制造声子晶体的方法。
用于实际舰船工程的隔振结构除需具备一定的隔振量，还需满足静强度、静刚度、抗冲击、接地要求以及阻燃、耐腐蚀、抗老化等其他舰用条件要求，目前的声子晶体实施方法尚不可用于实际舰船工程。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术需求而提供一种用于舰船隔振的声子晶体结构及设计方法，开发舰船实际工程可用的具备弹性波带隙的声子晶体隔振结构。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于舰船隔振的声子晶体结构，其特征在于：包括声子晶体基体、弹簧和钨块，所述声子晶体基体为周期性分布蜂窝结构，弹簧对称设于蜂窝的内壁上，钨块设于蜂窝内部空腔，外壁与弹簧顶部相抵接，声子晶体基体的顶面及底面的四角位置分别设有上连接块和下连接块，上、下连接块通过接地线相连。
按上述方案，所述声子晶体基体由双马来酰胺碳纤维复合材料制成。
按上述方案，所述蜂窝为正六角形孔。
一种用于舰船隔振的声子晶体结构的设计方法，其特征在于，包括如下内容：
S1)有限元建模，根据运动设备在舰船上的布置安装位置和支撑反力，以声子晶体的弹性波带隙起止频率和隔振量为目标，基于局部共振机理声子晶体原理，并结合静强度、静刚度、抗冲击要求，通过有限元建模确定弹簧刚度、钨块质量和碳纤维复合材料蜂窝结构的晶格参数；
S2)静强度、静刚度的设计校核，根据声子晶体支撑反力和其在舰船上的布置安装位置决定的舰船摇荡加速度和角加速度，采用有限元法计算声子晶体结构的应力和变形，满足许用要求时完成校核，不满足许用要求时返回步骤S1调整设计参数，在满足弹性波带隙和隔振量分布的前提下加强结构，再次进行静强度和静刚度校核，直至满足许用要求；
S3)抗冲击设计校核，根据运动设备的抗冲击等级和起在舰船上的安装位置冲击环境分类，采用动态设计方法计算冲击响应，考核声子晶体结构在冲击环境下的应力和变形，满足许用要求时完成校核，不满足许用要求时返回步骤S1调整设计参数，在满足弹性波带隙和隔振量分布的前提下调整结构，再次进行抗冲击校核。
按上述方案，所述步骤S1)具体包括如下内容：
(1)确定弹簧刚度和钨块质量，局域共振带隙的频率可为弹簧振子的谐振频率f，根据如下公式进行估算：式中，k为弹簧刚度，m为钨块质量；
(2)设蜂窝的组成材料的杨氏模量为E0，则其在xyz方向的等效杨氏模量分别为：
式中，t为蜂窝芯材厚度，a为六角形蜂窝的边长；
(3)蜂窝的相当密度的计算公式为：式中，ρ0为蜂窝芯组成材料密度；
(4)蜂窝的面内泊松比为：
(5)蜂窝的相当剪切模量为：式中，G0为蜂窝芯组成材料剪切模量；
根据式上述得到的等效参数，进行有限建模计算。
按上述方案，所述步骤S3)具体包括如下内容：
根据冯·米塞斯屈服原则，可得有效动应力σshock为：式中，σa为某点模态a的动应力的最大值，σa(max)为某点所有模态的动应力的最大值；
设σper为工作应力，冲击作用下总应力为：σtotal＝|σshock|+|σper|；
将总应力与许用应力相比，判断是否满足应力要求。
本发明的有益效果是：提供一种用于舰船隔振的声子晶体结构及设计方法，使用碳纤维复合材料、弹簧、钨块来设计人工弹性体，以实现局部共振机理和负等效质量密度产生弹性波带隙，且该声子晶体基体满足舰用强度、刚度、抗冲击要求和阻燃、耐腐蚀等其他舰用条件要求，通过调整弹簧弹性系数、钨块体积，可在一定范围内调整声子晶体隔振结构的弹性波带隙起止频率和隔振量分布，增强振动控制鲁棒性，使用热压罐工艺制备双马来酰胺碳纤维蜂窝复合材料，以保证纤维层间联合强度和工艺稳定性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
其中：1.声子晶体基体，2.弹簧，3.钨块，4.蜂窝，5.上连接块，6.下连接块，7.接地线。
具体实施方式
现结合附图对本发明实施方式进行说明，本发明并不局限于下述实施例。
如图1所示，一种用于舰船隔振的声子晶体结构，包括声子晶体基体1、弹簧2和钨块3，声子晶体基体为周期性分布蜂窝结构，弹簧对称设于蜂窝4的内壁上，钨块设于蜂窝内部空腔，外壁与弹簧顶部相抵接，声子晶体基体的顶面及底面的四角位置分别设有上连接块5和下连接块6，上、下连接块通过接地线7相连，满足舰船设备接地要求。声子晶体基体由双马来酰胺碳纤维复合材料制成，具有低至1.6g/cm3的材料体积密度，可满足支承运动设备的强度、刚度、抗冲击等力学要求，可形成声子晶体所需的蜂窝结构的空间阵列。
声子晶体结构的设计方法如下：。
S1)有限元建模，根据运动设备在舰船上的布置安装位置和支撑反力，以声子晶体的弹性波带隙起止频率和隔振量为目标，基于局部共振机理声子晶体原理，并结合静强度、静刚度、抗冲击要求，通过有限元建模确定弹簧刚度、钨块质量和碳纤维复合材料蜂窝的结构晶格参数；
S2)静强度、静刚度的设计校核，根据声子晶体支撑反力和其在舰船上的布置安装位置决定的舰船摇荡加速度和角加速度，采用有限元法计算声子晶体结构的应力和变形，满足许用要求时完成校核，不满足许用要求时返回步骤S1调整设计参数，在满足弹性波带隙和隔振量分布的前提下加强结构，再次进行静强度和静刚度校核，直至满足许用要求；
S3)抗冲击设计校核，根据运动设备的抗冲击等级和起在舰船上的安装位置冲击环境分类，采用动态设计方法计算冲击响应，考核声子晶体结构在冲击环境下的应力和变形，满足许用要求时完成校核，不满足许用要求时返回步骤S1调整设计参数，在满足弹性波带隙和隔振量分布的前提下调整结构，再次进行抗冲击校核。
步骤S1)具体包括如下内容：
(1)确定弹簧刚度和钨块质量，局域共振带隙的频率可为弹簧振子的谐振频率f，根据如下公式进行估算：式中，k为弹簧刚度，m为钨块质量；
(2)设蜂窝的组成材料的杨氏模量为E0，则其在xyz方向的等效杨氏模量分别为：
式中，t为蜂窝芯材厚度，a为六角形蜂窝的边长；
(3)蜂窝的相当密度的计算公式为：式中，ρ0为蜂窝芯组成材料密度；
(4)蜂窝的面内泊松比为：
(5)蜂窝的相当剪切模量为：式中，G0为蜂窝芯组成材料剪切模量；
根据式上述得到的等效参数，进行有限建模计算。
步骤S3)具体包括如下内容：
根据冯·米塞斯屈服原则，可得有效动应力σshock为：式中，σa为某点模态a的动应力的最大值，σa(max)为某点所有模态的动应力的最大值；
设σper为工作应力，冲击作用下总应力为：σtotal＝|σshock|+|σper|；
将总应力与许用应力相比，判断是否满足应力要求。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不局限于上述实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的内容下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种用于舰船隔振的声子晶体结构，其特征在于：包括声子晶体基体、弹簧和钨块，所述声子晶体基体为周期性分布蜂窝结构，弹簧对称设于蜂窝的内壁上，钨块设于蜂窝内部空腔，外壁与弹簧顶部相抵接，声子晶体基体的顶面及底面的四角位置分别设有上连接块和下连接块，上、下连接块通过接地线相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于舰船隔振的声子晶体结构，其特征在于，所述声子晶体基体由双马来酰胺碳纤维复合材料制成。
3.根据权利要求2所述的一种用于舰船隔振的声子晶体结构，其特征在于，所述蜂窝为正六角形孔。
4.一种由权利要求3所述的用于舰船隔振的声子晶体结构的设计方法，其特征在于，包括如下内容：
S1)有限元建模，根据运动设备在舰船上的布置安装位置和支撑反力，以声子晶体的弹性波带隙起止频率和隔振量为目标，基于局部共振机理声子晶体原理，并结合静强度、静刚度、抗冲击要求，通过有限元建模确定弹簧刚度、钨块质量和碳纤维复合材料蜂窝结构的晶格参数；
S2)静强度、静刚度的设计校核，根据声子晶体支撑反力和其在舰船上的布置安装位置决定的舰船摇荡加速度和角加速度，采用有限元法计算声子晶体结构的应力和变形，满足许用要求时完成校核，不满足许用要求时返回步骤S1调整设计参数，在满足弹性波带隙和隔振量分布的前提下加强结构，再次进行静强度和静刚度校核，直至满足许用要求；
S3)抗冲击设计校核，根据运动设备的抗冲击等级和起在舰船上的安装位置冲击环境分类，采用动态设计方法计算冲击响应，考核声子晶体结构在冲击环境下的应力和变形，满足许用要求时完成校核，不满足许用要求时返回步骤S1调整设计参数，在满足弹性波带隙和隔振量分布的前提下调整结构，再次进行抗冲击校核。
5.根据权利要求4所述的一种用于舰船隔振的声子晶体结构的设计方法，其特征在于，所述步骤S1)具体包括如下内容：
(1)确定弹簧刚度和钨块质量，局域共振带隙的频率可为弹簧振子的谐振频率f，根据如下公式进行估算：式中，k为弹簧刚度，m为钨块质量；
(2)设蜂窝的组成材料的杨氏模量为E0，则其在xyz方向的等效杨氏模量分别为：
式中，t为蜂窝芯材厚度，a为六角形蜂窝的边长；
(3)蜂窝的相当密度的计算公式为：式中，ρ0为蜂窝芯组成材料密度；
(4)蜂窝的面内泊松比为：
(5)蜂窝的相当剪切模量为：式中，G0为蜂窝芯组成材料剪切模量；
根据式上述得到的等效参数，进行有限建模计算。
6.根据权利要求4所述的一种用于舰船隔振的声子晶体结构的设计方法，其特征在于，所述步骤S3)具体包括如下内容：
根据冯·米塞斯屈服原则，可得有效动应力σshock为：
式中，σa为某点模态a的动应力的最大
值，σa(max)为某点所有模态的动应力的最大值；
设σper为工作应力，冲击作用下总应力为：σtotal＝|σshock|+|σper|；
将总应力与许用应力相比，判断是否满足应力要求。
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