CN110296172A - 一种隔振抗冲装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔振抗冲装置包括上面板和下面板，在所述上面板和所述下面板之间设有相连接的多层负刚度窝芯，所述多层负刚度蜂窝芯中设有相连接的组合件。该装置应用了负刚度蜂窝结构能量吸收性能、周期结构的阻带机制、声子晶体局域共振、阻抗失配和波型转换机制，具有高水平的抗压强度，能够吸收来自机器或基础的振动、冲击能量。可以通过结构不同部件尺寸、质量等参数，实现指定频率的减振，特别是在低频段能够形成较宽的减振带隙，具有良好的低频减振效果。本发明还公开了上述隔振抗冲装置制作方法。

Description

一种隔振抗冲装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种隔振抗冲装置及其制作方法，特别涉及一种声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置及其制作方法，属于隔振、抗冲击技术领域。

背景技术

随着舰船科技的快速发展，舰船相关规范不断更新，振动噪声要求越来越高。舰船动力设备正常工作时，往往会产生较大的结构振动和辐射噪声，影响舰船的舒适性和低探测性。而船舶及动力设备大型化发展趋势，造成船体结构固有频率及机器激励频率随之降低，动力设备的激励更容易造船船体结构振动和辐射噪声的传播。

当前针对船舶动力系统减振设计方法主要是采取隔振技术，目前较多采用的是双层隔振、浮筏隔振，将动力设备通过隔振器安装在中间质量或中间筏体上，然后将中间质量或中间筏体通过隔振器弹性安装在基座上，可以一定程度上降低船舶振动噪声。船舶动力设备隔振所需要面对的主要问题在低频段振动不易降低，为了降低低频振动，往往将隔振系统固有频率控制在一个较小的值。隔振器刚度必须将设计的很小，动力系统容易发生振幅过大等不稳定问题；中间质量或筏体设计的很重，提高了隔振系统的制造成本。因此在隔振系统尺寸、重量等参数限定条件下，传统常规隔振系统设计已经很难满足舰船越来越高的隔振指标要求。

除了采用隔振系统，通过对支承动力系统的基座进行减振设计，也是降低船舶结构振动的经济有效的途径。对基座的减振性能设计既要求其支承动力设备重量，也要求具有减振效果。常规基座的减振性能设计是通过改变基座自身结构形式和尺寸实现减振效果，即在有限结构质量下提升基座减振效果，现有常规基座的减振设计对中高频振动的衰减具有一定的效果，而对于低频振动衰减效果不理想。常规减振基座结构设计已经无法满足船舶低频段的减振性能要求。

申请号为2017101083025.8的专利公开了一种三维负刚度蜂窝结构及其制作方法，通过制作嵌片并将嵌片锁到一起，制成了三维负刚度蜂窝结构，具有高初始刚度、可恢复性的能量吸收强等特点，主要用于航空航天领域。该发明解决了现有普通蜂窝结构通过塑性变形吸收能量，限制了能量吸收，且普通蜂窝结构的不可恢复性，也限制了蜂窝结构的重复使用的问题。但是该三维负刚度蜂窝结构制作方法复杂，经济性较低，不利于船舶领域的推广使用；而且该结构支承能力弱，容易出现受力不均而造成局部变形过大的问题，船舶动力设备的往往需要支承装置有较大承载。因此该结构仅仅适用于航空航天领域，不适用于船舶设备隔振、抗冲领域。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的技术问题和缺陷，为实现舰船动力设备低频范围的减振，本发明提供了一种声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置。

为达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案为：

一种隔振抗冲装置，包括上面板和下面板，在所述上面板和所述下面板之间设有相连接的多层负刚度窝芯，所述多层负刚度蜂窝芯中设有相连接的组合件。

进一步，所述多层负刚度蜂窝芯由若干个负刚度蜂窝胞元在水平方向和垂直方向上周期性排列，形成多层波浪状周期结构；所述负刚度蜂窝胞元在垂直方向上由镜像连接的余弦型双层波浪板叠加形成，所述余弦型双层波浪板的两端通过一对竖板连接。

进一步，所述组合件包括质量块连接在所述质量块两侧的两块弹性板，所述组合件通过嵌入或粘接方式与所述多层负刚度蜂窝芯连接，两块所述弹性板分别嵌入或粘接到所述负刚度蜂窝胞元的一对所述竖板，并且所述质量块的延伸方向与所述多层负刚度蜂窝芯纵深方向平行。

进一步，所述余弦型双层波浪板的两层波浪板之间的间隙为波浪板壁厚的1.5-3倍，所述余弦型双层波浪板的水平方向长度L为其垂直方向高度H的6-10倍，所述竖板的高度为所述余弦型双层波浪板的波浪板壁厚的8-10倍，所述竖板的壁厚为所述余弦型双层波浪板的波浪板壁厚的1.5-3倍。

进一步，所述多层负刚度蜂窝芯、所述上面板和所述下面板材料为钢，所述弹性板材料为橡胶，所述质量块材料为铁或铅。

本发明还提供上述隔振抗冲装置的制作方法，包括以下步骤：

S1：制作所述弹性板和所述质量块，并整体制备所述多层负刚度蜂窝芯、所述上面板和所述下面板；

S2：将制作好的所述质量块两侧分别粘接一块所述弹性板组成所述组合件；

S3：将所述组合件粘接或嵌入到所述多层负刚度蜂窝芯中，每个所述多层负刚度蜂窝芯中均设有一个所述组合件，所述组合件的两块所述弹性板分别嵌入或粘接到所述负刚度蜂窝胞元的所述竖板，形成隔振抗冲装置。

进一步，整体制备所述多层负刚度蜂窝芯、所述上面板和所述下面板时可以采用3D打印设备。

作用原理

使用时，所述上面板通过螺栓或隔振器与机器设备相连接；所述下面板通过螺栓或隔振器与基础相连接。所述多层负刚度蜂窝芯为基体，所述弹性板为弹性体，所述质量块为散射体，构成局域共振型声子晶体周期结构。弹性波激振频率接近声子晶体周期结构中散射体的共振频率时，弹性波的能量会大幅度被散射体吸收，从而隔离了弹性波在声子晶体周期结构中的传播。同时，双层波浪板是一种余弦型曲板结构，具有负刚度特性，在该结构受力时，随着位移增加，力的值先增加到最大，随后位移增加而力减小，出现负刚度区域，最后力从最小值开始随着位移的增加而增加；上下两层波浪板之间的间隙为波浪板的壁厚的1.5-3倍，波浪板的水平方向长度为其垂直方向高度的6-10倍，该结构有利于振动冲击能量转化为负刚度蜂窝结构的内部应变能，起到隔振减振抗冲的作用。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

(1)本发明应用了负刚度蜂窝结构能量吸收性能、周期结构的阻带机制、声子晶体局域共振、阻抗失配和波型转换机制，不仅能够吸收部分振动冲击能量，还能在低频范围形成带隙，有效提高该隔振抗冲装置的隔振抗冲性能。在振动冲击能量通过该装置传递时，负刚度蜂窝结构发生垂向变形，部分能量转化为负刚度蜂窝结构的内部应变能。弹性波经过多层波浪状负刚度蜂窝芯时，会产生阻抗失配，还会发生波型转换，转化为不易传播的纵波。当弹性波的频率处于多层负刚度蜂窝周期结构的阻带范围时，弹性波很难传播。另外当弹性波的频率弹性波激振频率接近声子晶体中散射体(质量块)的共振频率时，弹性波的能量会大幅度被散射体吸收，从而隔离了弹性波的传播。这样就能够使该隔振抗冲装置具有良好的低频宽频带隔振性能。

(2)本发明可以针对不同的设备，不同的激励频率，定制具有不同减振特性的隔振抗冲装置，通过调节上、下面板厚度，蜂窝芯厚度、角度、层数，以及弹性板、质量块尺寸，实现指定频率的减振。

(3)本发明中多层波浪状负刚度蜂窝芯相比现有蜂窝结构具有拉压可恢复性和能量吸收特性，余弦型双层波浪板和竖板组成的负刚度蜂窝胞元在水平方向和垂直方向上周期排列，特别是竖板保证了多层波浪状负刚度蜂窝芯的初始刚度和变形过程中的侧向稳定性，使该负刚度蜂窝芯具有高初始刚度，可恢复性强，能够为多重振动、冲击提供重复性保护，提供比现有蜂窝更好的耐久性；声子晶体(组合件)通过设计散射体(质量块)和弹性体(弹性板)的尺寸，实现低频段下局域共振，吸收低频段弹性波能量，产生低频宽频带隙，隔离低频振动传播。

(4)本发明将负刚度蜂窝周期结构与声子晶体周期结构结合起来，充分结合能量吸收特性与局域共振机理，强化了低频段的减振效果，相对于简单负刚度结构，该设计在全频段隔振效果可增强3-4dB左右。另外该隔振抗冲装置可将冲击峰值降低约5％。

(5)与传统浮筏、常规基座相比，本发明质量更轻，更符合现代舰船的轻量化设计，兼顾低频隔振和抗冲击性能，有利于负刚度蜂窝结构在舰船领域的工程应用。

附图说明

图1为本发明实施例中隔振抗冲装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中隔振抗冲装置的剖面示意图；

图3为本发明实施例中不含组合件的隔振抗冲装置的剖面示意图；

图4为本发明实施例中负刚度蜂窝胞元示意图；

图5为本发明实施例中组合件示意图；

图6为本发明实施例中负刚度蜂窝胞元与组合件示意图；

图7为本发明实施例一结构示意图；

图8为本发明实施例二结构示意图；

图中附图标记说明：1、上面板；2、下面板；3、负刚度蜂窝芯；3-1、负刚度蜂窝胞元；4、组合件；4-1、弹性板；4-2、质量块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以及结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1至7所示，一种隔振抗冲装置，应用于支撑舰船柴油发电机的基座，该基座由两个与发电机尺寸匹配的隔振抗冲装置组成。所述隔振抗冲装置包括上面板1和下面板2，在所述上面板1和所述下面板2之间设有相连接的多层负刚度窝芯3，所述负刚度蜂窝芯3中设有相连接的组合件4。

所述多层负刚度蜂窝芯3由若干个负刚度蜂窝胞元3-1在水平方向和垂直方向上周期性排列，形成多层波浪状周期结构；所述负刚度蜂窝胞元3-1在垂直方向上由镜像连接的余弦型双层波浪板3-1-1叠加构成，所述余弦型双层波浪板3-1-1的两端通过一对竖板3-1-2连接。

所述组合件包括质量块4-2和粘连在所述质量块4-2两侧的弹性板4-1。所述组合件4通过嵌入或粘接方式与所述多层负刚度蜂窝芯3连接，两块所述弹性板4-1分别嵌入或粘接到所述负刚度蜂窝胞元3-1的一对所述竖板3-1-2，并且所述质量块4-2的延伸方向与所述多层负刚度蜂窝芯3纵深方向平行。

本实施例中，所述余弦型波浪板3-1-1的波浪板壁厚约在1-3mm，保证轻量化，所述竖板3-1-2的壁厚约为所述余弦型双层波浪板3-1-1的波浪板壁厚的1.5-3倍，所述竖板3-1-2一方面提高蜂窝周期结构的支承能力，保证多层周期结构初始刚度与变形过程中的侧向稳定性，另外一方面造成所述余弦型双层波浪板3-1-1与所述竖板3-1-2之间阻抗失配、波型转换，增加能量传递的难度，所述余弦型双层波浪板3-1-1的两层波浪板之间的间隙为波浪板壁厚的1.5-3倍，所述余弦型双层波浪板3-1-1的水平方向长度L为其垂直方向高度H的6-10倍,所述负刚度蜂窝胞元3-1两侧的所述竖板3-1-2的高度为所述余弦型双层波浪板3-1-1的波浪板壁厚的8-10倍。该结构有利于振动冲击能量转化为负刚度蜂窝结构的内部应变能，起到减振抗冲的作用。

所述多层负刚度蜂窝芯3、所述上面板1和所述下面板2材料为钢，所述弹性板4-1材料为橡胶，所述质量块4-2材料为铁或铅。

本实施例中主要考虑该声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置与质量较小、体积较小、振动幅值较低的设备或设备组相连，对刚度需求较低。所述上面板1通过隔振器直接与柴油发电机的基座相连接；所述下面板2通过螺栓与基础相连接。

本实施例中，所述多层负刚度蜂窝芯3为基体，所述弹性板4-1为弹性体，所述质量块4-2为散射体，构成局域共振型声子晶体周期结构。弹性波激振频率接近声子晶体周期结构中散射体的共振频率时，弹性波的能量会大幅度被散射体吸收，从而隔离了弹性波在声子晶体周期结构中的传播。

本实施例中，所述余弦型双层波浪板3-1-1是一种余弦型曲板结构，具有负刚度特性，在该结构受力时，随着位移增加，力的值先增加到最大，随后位移增加而力减小，出现负刚度区域，最后力从最小值开始随着位移的增加而增加。

实施例2

如图8所示，一种隔振抗冲装置，应用于舰船动力设备的隔振抗冲浮筏，该隔振抗冲浮筏由隔振抗冲装置按照周期排列组合而成。

如图1至6和图8所示所述隔振抗冲装置包括上面板1和下面板2，在所述上面板1和所述下面板2之间设有相连接的多层负刚度窝芯3，所述多层负刚度蜂窝芯3中设有相连接的组合件4。所述多层负刚度蜂窝芯3由若干个负刚度蜂窝胞元3-1在水平方向和垂直方向上周期性排列，形成多层波浪状周期结构；所述负刚度蜂窝胞元3-1在垂直方向上由镜像连接的余弦型双层波浪板3-1-1叠加形成，所述余弦型双层波浪板3-1-1的两端通过一对竖板3-1-2连接。所述组合件包括质量块4-2和粘连在所述质量块4-2两侧的弹性板4-1。所述组合件4通过嵌入或粘接方式与所述多层负刚度蜂窝芯3连接，两块所述弹性板4-1分别嵌入或粘接到所述负刚度蜂窝胞元3-1的一对所述竖板3-1-2，并且所述质量块4-2的延伸方向与所述多层负刚度蜂窝芯3纵深方向平行。

如图2至图6所示，本实施例中，所述余弦型双层波浪板3-1-1的波浪板厚度约在1-3mm，保证轻量化，所述竖板3-1-2的壁厚约为波浪板壁厚的1.5-3倍，所述竖板3-1-2一方面提高蜂窝周期结构的支承能力，保证多层周期结构初始刚度与变形过程中的侧向稳定性，另外一方面造成所述余弦型双层波浪板3-1-1与所述竖板3-1-2之间阻抗失配、波型转换，增加能量传递的难度，所述余弦型双层波浪板3-1-1的波浪板之间的间隙为波浪板壁厚的1.5-3倍，所述余弦型双层波浪板3-1-1的水平方向长度L为其垂直方向高度H的6-10倍,所述负刚度蜂窝胞元3-1两侧的所述竖板3-1-2的高度为波浪板壁厚的8-10倍。该结构有利于振动冲击能量转化为负刚度蜂窝结构的内部应变能，起到减振抗冲的作用。

所述多层负刚度蜂窝芯3、所述上面板1和所述下面板2材料为钢，所述弹性板4-1材料为橡胶，所述质量块4-2材料为铁或铅。

本实施例中主要考虑该声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置与质量较大、体积较大、振动较为剧烈的机器或机器组相连，不仅要考虑隔振效果，还要有足够的支撑强度，可将该声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置排列成矩阵组，以便于在满足相关要求的条件下将该声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置数量最优化。所述上面板1通过螺栓或隔振器与中间板相连接，中间板通过隔振器与舰船动力设备相连接；所述下面板2通过隔振器与基础相连接。

本发明的一种声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置的制作方法，包括以下步骤：

S1：制作所述弹性板4-1和所述质量块4-2，并整体制备所述多层负刚度蜂窝芯3、所述上面板1和所述下面板2；

S2：将制作好的所述质量块4-2两侧分别粘接一块所述弹性板4-1组成所述组合件4；

S3：将所述组合件4粘接或嵌入到所述多层负刚度蜂窝芯3中，每个所述多层负刚度蜂窝芯3中均设有一个所述组合件4，所述组合件4的两块所述弹性板4-1分别嵌入或粘接到所述负刚度蜂窝胞元3-1的所述竖板3-1-2，形成声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的改变和变形。凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种隔振抗冲装置，包括上面板(1)和下面板(2)，其特征在于：在所述上面板(1)和所述下面板(2)之间设置有相连接的多层负刚度窝芯(3)，所述负刚度蜂窝芯(3)中设置有相连接的组合件(4)。

2.根据权利要求1所述隔振抗冲装置，其特征在于：所述多层负刚度蜂窝芯(3)由若干个负刚度蜂窝胞元(3-1)在水平方向和垂直方向上周期性排列，形成多层波浪状周期结构；所述负刚度蜂窝胞元(3-1)在垂直方向上由镜像连接的余弦型双层波浪板(3-1-1)叠加构成，所述余弦型双层波浪板(3-1-1)的两端分别通过竖板(3-1-2)连接。

3.根据权利要求2所述隔振抗冲装置，其特征在于：所述组合件(4)包括质量块(4-2)和分别水平连接在所述质量块(4-2)两侧的弹性板(4-1)，所述组合件(4)的弹性板(4-1)通过嵌入或粘接方式与所述多层负刚度蜂窝芯(3)的竖板(3-1-2)连接，并且所述质量块(4-2)的延伸方向与所述多层负刚度蜂窝芯(3)纵深方向平行。

4.根据权利要求2所述隔振抗冲装置，其特征在于：所述余弦型双层波浪板(3-1-1)的两层波浪板之间的间隙为波浪板壁厚的1.5-3倍，所述余弦型双层波浪板(3-1-1)的水平方向长度(L)为其垂直方向高度(H)的6-10倍，所述竖板(3-1-2)的高度为所述余弦型双层波浪板(3-1-1)的波浪板壁厚的8-10倍，所述竖板(3-1-2)的壁厚为所述余弦型双层波浪板(3-1-1)的波浪板壁厚的1.5-3倍。

5.根据权利要求3所述声子晶体负刚度蜂窝隔振抗冲装置，其特征在于：所述多层负刚度蜂窝芯(3)、所述上面板(1)和所述下面板(2)的材料均为钢，所述弹性板(4-1)的材料为橡胶，所述质量块(4-2)的材料为铁或铅。

6.一种根据权利要求5所述的隔振抗冲装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：制作所述弹性板(4-1)和所述质量块(4-2)，并整体制备所述多层负刚度蜂窝芯(3)、所述上面板(1)和所述下面板(2)；

S2：将制作好的所述质量块(4-2)两侧分别粘接一块所述弹性板(4-1)组成所述组合件(4)；

S3：将所述组合件(4)粘接或嵌入到所述多层负刚度蜂窝芯(3)中，每个所述多层负刚度蜂窝芯(3)中均设有一个所述组合件(4)，所述组合件(4)的两块所述弹性板(4-1)分别嵌入或粘接到所述负刚度蜂窝胞元(3-1)的所述竖板(3-1-2)，形成隔振抗冲装置。