CN110481740A - 基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，由微浮筏结构在蒙皮下周期排列构成。微浮筏结构由电磁线圈和弹性阻尼元件组成。电磁线圈由铁芯加工后缠绕漆包线构成。本发明采用微浮筏结构与磁流变弹性体相结合的方式，通过改变电磁线圈中电流的大小，调节作用于磁流变弹性体的磁场强度，进而控制磁流变弹性体的阻尼和刚度，使部分微浮筏结构的共振频率发生改变产生线缺陷，形成波导。声波或弹性波沿着缺陷定向传输，抑制表面噪声及激励的传播。同时表面采用柔性材料制造，可以推迟湍流边界层的转捩，实现蒙皮的减阻降噪。

Description

基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮
技术领域
本发明涉及一种基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，属于船体结构及智能材料领域。
背景技术
20世纪50年代以来，随着科学技术的迅猛发展以及国家安全战略需求的日益增加，对水下航行器的快速性及隐身性能都提出了更高的要求。因此，如何提高水下航向器的减阻降噪性能，成为了船舶机械以及减阻降噪工程领域的研究热点。
水下航行器在航行时，受到的表面摩擦阻力占总阻力的比重很大，因此蒙皮性能的好坏直接影响到航行器航行的稳定性。同时减少表面摩擦阻力还可以减少航行所消耗的能源，符合现在的节约减排理念。目前，水下航行器表面减阻常用的方法包括改变壁面物性型减阻、壁面隔离型减阻、增大湍流阻尼型减阻。但这些结构往往性能单一，无法满足舰船降噪需求。
声子晶体是典型人工设计的声波及弹性波传输控制结构，一直是研究人员关注的焦点，其研究的重点为对声波及弹性波的控制，其结构可以用于水下航行器蒙皮，使蒙皮同时具有减阻及降噪的能力。但传统的声子晶体结构一旦设计好，其对声波及弹性波的响应特性等性质都随之确定，不再具有参数可调性，从而使工作频带受到限制。因此传统声子晶体结构和研究方法，对蒙皮的减阻降噪效果产生了诸多限制
发明内容
目前水下航行器的蒙皮多采用被动减阻的制造方案，无法适应多种水下航行的状况的同时无法满足声隐需求。除此之外传统的声子晶体设计及制造出来后，其声学特性就固定不变了，这极大的限制了声子晶体的应用。为了解决上述问题，本发明利用磁流变弹性体作为弹性阻尼元件，提出了一种基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮。
本发明的目的是这样实现的：包括内层蒙皮、外层蒙皮、设置在内层蒙皮与外层蒙皮之间的微浮筏单元，微浮筏单元呈阵列周期排布，每个微浮筏单元包括电磁线圈和设置在电磁线圈上下端面的弹性阻尼元件。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.电磁线圈包括铁芯和缠绕在铁芯上的漆包线。
2.所述铁芯为正六面体结构在外侧表面设置有用于缠绕漆包线的凹槽。
3.所述内层蒙皮和外层蒙皮采用热塑性聚氨酯TPU薄膜。
4.弹性阻尼元件由磁流变弹性体MRE构成，并与内层蒙皮、外层蒙皮及电磁线圈粘合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：外层蒙皮及水下航行器表面覆盖层采用热塑性聚氨酯薄膜。热塑性聚氨酯薄膜为一种柔性材料，用于水下航行器表面覆盖层可以延缓湍流的转捩，起到降低水下航行器表面流阻的作用。蒙皮与微浮阀单元构成了一种特殊的声学结构即声子晶体。运用磁流变弹性体阻尼刚度随磁场变化的原理在声子晶体中形成线缺陷，将外部激励流阻及噪声沿着缺陷传播，实现减阻降噪。本发明所述的微浮筏由浮筏减振系统微小化而来，浮筏结构在减振领域大放异彩，将其应用于水下航行器表面蒙皮·通过减振原理的应用抑制蒙皮表面的激励，同时可以减少振动噪音的传播。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是微浮筏结构图；
图3是波导原理图。
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。
如图1所示，本发明展示的一种基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，主要包括外层蒙皮1、内层蒙皮2、微浮筏单元3。内外两层蒙皮采用热塑性聚氨酯(TPU)材料制成。微浮筏单元3由浮筏减震系统微小化而来。微浮筏的质量单元由电磁线圈担当，弹性阻尼元件由磁流变弹性体制成。将微浮筏单元呈阵列周期排布在内外两层蒙皮之间，并将其与内外两层蒙皮粘合。微浮筏单元由浮筏减振系统微小而成，微浮筏中的质量单元由电磁线圈构成。电磁线圈由导电性好的电工纯铁及漆包线组成，用来产生磁场。充当弹性阻尼元件的磁流变弹性体可以根据电磁线圈中通过电流的大小改变其阻尼刚度。内外两层蒙皮采用热塑性聚氨酯(TPU)薄膜。微浮阀单元在蒙皮下的阵列周期排列所构成的结构可以假想成声子晶体结构，通过改变弹性阻尼元件的阻尼及刚度，可以在该微浮筏蒙皮结构中形成线缺陷。
结合图2，微浮筏单元3由弹性阻尼元件4和电磁线圈5组成。弹性阻尼元件由磁流变弹性体(MRE)构成，并与内层蒙皮、外层蒙皮及电磁线圈粘合。电磁线圈5由漆包线6绕制铁芯7而成。电磁线圈5的铁芯7为采用电工纯铁(DT4)制成的四周挖有凹槽的正六面体，同时其侧面挖有用于缠绕漆包线的凹槽。弹性阻尼元件4采用磁流变弹性体，磁流变弹性体可自行制备，其基体材料选用环氧树脂。
本发明的工作原理：弹性阻尼元件4贴敷于电磁线圈的上下两端，其阻尼刚度随电磁线圈中电流改变而变化，影响结构整体或局部的共振频率。可以把一个微浮筏单元3与外层蒙皮1和内层蒙皮2的组合假想成一个元胞，利用元胞所组成的声子晶体特性分析该结构特性。从整体来看，根据声子晶体的布拉格散射原理及局域共振原理，该结构会形成两条带隙。第一条带隙由特殊的微浮筏蒙皮结构产生，根据布拉格散射原理其在一定频率范围内会产生带隙但频率范围不可改变。第二条带隙由局域共振原理产生，该结构会在微浮筏单元的共振频率附近产生一条带隙，该条带隙频率的上界与下界可通过改变磁流变弹性体的阻尼刚度改变。在带隙频率范围内的声波及弹性波的传输会受到抑制，这样便可减少船舱内部振动及噪音。从局部来看，通过控制某一排或一列磁流变弹性体的阻尼刚度，可以在该声子晶体结构中可形成如图3(1)所示的线缺陷，将特定频率的外部激励及声波沿着缺陷方向引导并消除。除此之外，该结构还能满足特定波导需求，实现图3(2)所示的波的汇聚与图3(3)所示的波的分解，通过对波的控制抑制激励引起的蒙皮表面湍流的转捩及特定频率声波的传播。由于水下航行器表面的湍流相对层流会产生更大的流阻，所以该结构能有效地减少航行阻力。外层蒙皮1由热塑性聚氨酯(TPU)制成，在水下航行器表面可形成柔性表层，柔性结构的表层同样可以抑制湍流的转捩，对蒙皮的减阻产生贡献。
综上，本发明属于船体结构及智能材料领域，尤其涉及一种基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮。基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮由微浮筏结构在蒙皮下周期排列构成。微浮筏结构由电磁线圈和弹性阻尼元件组成。电磁线圈由铁芯加工后缠绕漆包线构成。本发明采用微浮筏结构与磁流变弹性体相结合的方式，通过改变电磁线圈中电流的大小，调节作用于磁流变弹性体的磁场强度，进而控制磁流变弹性体的阻尼和刚度，使部分微浮筏结构的共振频率发生改变产生线缺陷，形成波导。声波或弹性波沿着缺陷定向传输，抑制表面噪声及激励的传播。同时表面采用柔性材料制造，可以推迟湍流边界层的转捩，实现蒙皮的减阻降噪。

Claims (6)

1.基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，包括内层蒙皮、外层蒙皮、设置在内层蒙皮与外层蒙皮之间的微浮筏单元，其特征在于：微浮筏单元呈阵列周期排布，每个微浮筏单元包括电磁线圈和设置在电磁线圈上下端面的弹性阻尼元件。
2.根据权利要求1所述的基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：电磁线圈包括铁芯和缠绕在铁芯上的漆包线。
3.根据权利要求2所述的基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述铁芯为正六面体结构在外侧表面设置有用于缠绕漆包线的凹槽。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述内层蒙皮和外层蒙皮采用热塑性聚氨酯TPU薄膜。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：弹性阻尼元件由磁流变弹性体MRE构成，并与内层蒙皮、外层蒙皮及电磁线圈粘合。
6.根据权利要求4所述的基于波导机理的微浮筏流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：弹性阻尼元件由磁流变弹性体MRE构成，并与内层蒙皮、外层蒙皮及电磁线圈粘合。
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