CN111186548A - 一种剪扭支撑高阻抗基座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种剪扭支撑高阻抗基座，包括第一基底，第一基底之间水平并列固接若干个第二基底，还包括腹板，腹板包括第一直角边、第二直角边和斜边，各第一基底接触第二基底的一端，以及各第二基底的两端均与第一直角边垂直固接，各第二直角边上均开设若干个固定孔，相邻的两条斜边之间还夹接加强板。本发明腹板与基底固接形成扭转支撑，提高基座内部的传递机械阻抗，减小振动量；同时基座整体采用剪切安装的方式连接船体，提高基座整体的输入机械阻抗，也能有效减小振动；此外去除了传统结构中的水平面板，避免基座结构对船体弯矩造成影响，也减轻了基座的质量；在基底中填充轻质的阻尼材料，在不影响船体力学结构设计的情况下，提升减振性能。

Description

一种剪扭支撑高阻抗基座

技术领域

本发明涉及舰船减振隔振技术领域，尤其是一种剪扭支撑高阻抗基座。

背景技术

基座结构是用于舰船壳体与机电动力设备连接的重要支撑结构，是舰船结构的基本组成部分。船用主动力装置和辅助机电设备的结构振动均通过基座传递到舰船壳体，并会引起结构振动、产生水下辐射噪声，因此基座结构的声学设计是关系到舰船声隐身性能的关键技术。

一般情况下，改善基座减隔振性能的主要方法是增加基座阻抗失配特性，即在基座结构设计中增加面板和腹板的厚度，或在腹板中央设置方钢,增加阻振质量，以此加剧振动波在基座中的波形转换、散射和反射。同时，还可以在腹板两侧或面板下方设置自由阻尼层和约束阻尼层，增加基座耗能性能。

以上措施都会增加基座整体质量，影响船舶总体设计。如果能使基座结构在不增加重量的情况下具备良好的隔振性能，这对于改善舰船声隐身性能具有十分重要的意义。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种剪扭支撑高阻抗基座，实现剪切支撑和扭转支撑的有效结合，同时未增加基座重量。

本发明所采用的技术方案如下：

一种剪扭支撑高阻抗基座，包括一对间隔相对设置的第一基底，第一基底之间水平并列固接若干个第二基底，第一基底和第二基底串联形成基座底柱，第一基底和第二基底均为圆弧结构，还包括腹板，腹板为带有弧度的三角形板状结构，腹板包括第一直角边、第二直角边和斜边，各第一基底接触第二基底的一端，以及各第二基底的两端均与第一直角边垂直固接，各第二直角边上均开设若干个固定孔，相邻的两条斜边之间还夹接加强板。

其进一步技术方案在于：

第一基底为四分之一圆弧结构，第二基底为半圆弧结构；

第一基底和第二基底的半径相同，第一基底和第二基底的宽度也相同；第一基底和第二基底均为空心结构；

于第一基底和第二基底内部空腔中填充复合阻尼填料；

腹板的宽度小于第一基底的宽度，腹板的长度小于第一基底的长度。

分别沿第一基底和第二基底内周边缘固接第一直角边。

本发明的有益效果如下：

本发明结构合理，安装方便，采用圆弧形的基座底，腹板与基底固接形成扭转支撑，提高基座内部的传递机械阻抗，减小振动量；同时基座整体采用剪切安装的方式连接船体，提高基座整体的输入机械阻抗，也能有效减小振动；此外去除了传统结构中的水平面板，避免基座结构对船体弯矩造成影响，也减轻了基座的质量；在基底中填充轻质的阻尼材料，在不影响船体力学结构设计的情况下，提升减振性能；

本发明还具有如下具体优势：

基底：基底为空心圆弧形结构，内部可以填充阻尼材料，轻质且减振性能好；

腹板：腹板采用弧形结构并焊接在基底上，腹板与基底之间产生扭转支撑，能提高基座内部的传递机械阻抗，且能增加基座内振动波的散射和反射，减小经由基座传递到舰船壳体的振动能量；

基座与船体的连接方式：基座与船体之间采用剪切支撑，能提高基座整体的输入机械阻抗，可去除传统结构中必要的基座水面面板，减小基座的质量和对船体结构的影响。

附图说明

图1为本发明的安装结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为无限大平板受力分析图。

图5为平板扭转坐标变换及受力分析图。

其中：1、基座底柱；2、腹板；3、加强板；4、复合阻尼填料；5、船体；6、铺板；

101、第一基底；102、第二基底；

201、第一直角边；202、第二直角边；203、斜边；204、固定孔。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图2和3所示，本发明包括一对间隔相对设置的第一基底101，第一基底101之间水平并列固接若干个第二基底102，第一基底101和第二基底102串联形成基座底柱1，第一基底101和第二基底102均为圆弧结构，还包括腹板2，腹板2为带有弧度的三角形板状结构，腹板2包括第一直角边201、第二直角边202和斜边203，各第一基底101接触第二基底102的一端，以及各第二基底102的两端均与第一直角边201垂直固接，各第二直角边202上均开设若干个固定孔204，相邻的两条斜边203之间还夹接加强板3。

第一基底101为四分之一圆弧结构，第二基底102为半圆弧结构。第一基底101和第二基底102的半径相同，第一基底101和第二基底102的宽度也相同。第一基底101和第二基底102均为空心结构。于第一基底101和第二基底102内部空腔中填充复合阻尼填料4。腹板2的宽度小于第一基底101的宽度，腹板2的长度小于第一基底101的长度。分别沿第一基底101和第二基底102内周边缘固接第一直角边201。

本发明的具体安装和工作过程如下：

将第一基底101和第二基底102串联并焊接于船体5上，本实施例中，第二基底102共有两个，两个第二基底102分别与相邻的第一基底101焊接，第二基底102和第一基底101于连接处相切，两个第二基底102也通过焊接相连并于连接处相切。两个基底采用方钢或方管，便于填充阻尼材料，且易于弯曲形成特定的弧形结构。将腹板2垂直焊接至第一基底101和第二基底102上，形成三组对称设置的腹板2，且腹板2具有与第一基底101及第二基底102相同的弧度。由于圆弧结构特性，每组腹板2中的两块腹板2结构相同，但圆弧弯曲的方向相反。每组腹板2还通过加强板3连接，加强板3的两侧边缘分别焊接至相邻腹板2的斜边203上，加强板3能增加基座结构的整体强度。各第二直角边202均开设若干个用于安装铺板6的固定孔204，铺板6通过固定孔204与基座螺接。

本发明中，基座垂向剪切安装于船体5上，腹板2在基座内部产生扭转作用，组合形成剪扭支撑高阻抗的结构特点。腹板2的弧形支撑方式可以减小基座对船体5的弯矩作用，腹板2对基座底部形成扭转作用力，提高基座内部的传递机械阻抗，增加基座内振动波的散射和反射，减小振动能量。基座对船体5形成剪切支撑结构，提高基座整体的输入机械阻抗。当基座受到船体5振动影响时，除通过上述剪切和扭转支撑方式消耗振动能量以外，还可以通过第一基底101和第二基底102内部填充的阻尼材料消耗部分振动能量，提高减振减噪效果。

本发明中剪扭结合形成高阻抗结构的理论依据如下：

由于本发明所描述的基座主要用于支撑铺板6，铺板6底部为平板结构，而平板输入机械阻抗根据受力方式不同，可以分为弯曲机械阻抗、扭转机械阻抗和剪切机械阻抗，对应的作用力分别为垂向激励力、扭转激励力矩和平面剪切激励力。如图4所示，首先建立无限大平板受力分析模型。其垂向激励力为F_z，位移ξ_z，扭转激励力矩M_θ，扭转角位移ψ，平面内剪切激励力F_y，横向位移ξ_y。此处不考虑绕y轴或x轴的扭转激励，因为绕y轴或x轴的扭转可以等效为两个反向力偶垂向激励平板，其输入机械阻抗将远小于单力垂向激励情况。以下分别计算弯曲振动、扭转振动和剪切振动对基座的影响：

一、弯曲振动

薄板受到点激励的弯曲振动方程为：

式中：D为弯曲刚度；

ξ为弯曲振动位移；

x为纵向坐标；

y为横向坐标；

ρ为密度；

h为薄板厚度；

t为时间因子；

F₀为输入激励力；

δ₀为delta函数(也称狄拉克函数)；

x₀为原点横坐标；

y₀为原点纵坐标。

简谐激励下，去除时间因子，方程可简化为：

且m＝ρh

式中：

为拉普拉斯算子；

ξ()为弯曲振动位移函数；

h为薄板厚度；

ρ为密度；

D为弯曲刚度，且满足

式中：

h为薄板厚度；

ν为材料泊松比；

E杨氏模量。

求解式(A)需要使用二维坐标系下的傅立叶变换：

式中：

为激励力的傅里叶变换；

k_x为纵向波数；

k_y为横向波数；

F₀为激励力幅值；

δ₀为delta函数(也称狄拉克函数)；

exp为指数函数；

-j为虚数。

将坐标原点选在(x₀,y₀)，即x₀＝0,y₀＝0，则

在波数空间中，ξ(x,y)的傅立叶变换为：

式中：

代入式(A)：

式中：ω为圆频率。

令：

当

平板自由振动，有：

得到：k_b ²＝(ω²m/D)^1/2，为自由平板波数。

式(B)表示平板强迫振动，在不考虑阻尼情况下，(k_x,k_y)的取值需要满足：

即

此时解可以写作：

对上式作傅立叶逆变换得：

简谐激励下，平板的速度响应可以写作：

V(x,y)＝iωξ(x,y) 式(C)

式中：V(x,y)为平板的速度响应函数；

i为虚数。

激励点的输入阻抗Z₀为：

将式(C)代入式(D)得到：

二、扭转振动

根据平板受到扭转力矩作用时的振动理论，假设平板总弯曲位移为：

w＝w₁+w₂

设剪切位移为T，平板振动方程可以写作：

式中：w为平板总弯曲位移；

w₁为第一弯曲位移；

w₂为第二弯曲位移；

k₁为第一弯曲波数；

k₂为第二弯曲波数；

k₃为剪切波数。

其中k⁴＝ω²m/D为平板弯曲波波数，D为平板弯曲刚度，E为材料杨氏模量，I和S为中间参数，其中I＝h²/12，S＝2h²/(1-σ²)π²；

σ为泊松比；

在柱坐标系下，引入两个方向的扭转位移，它们与笛卡儿坐标系关系为：

式中：

取平板上一质量微元进行分析，如图5所示，其受到的扭转力矩M和垂向作用力Q可分别表示为：

式中：M_r为径向扭转力矩；

M_θ为环向扭转力矩；

M_rθ为径向与环向耦合扭转力矩；

Q_r为柱坐标r方向垂向作用力；

Q_θ为柱坐标θ方向垂向作用了；

ψ_r为柱坐标系下的径向扭转位移；

ψ_θ为柱坐标系下的周向扭转位移；

r为径向位移坐标；

θ为周向角度坐标。

假设半径为a的平板扭转位移为ψ，ψ_r＝ψsinθ，ψ_θ＝ψcosθ，作用的总力矩为：

式中：a为平板半径。

扭转力矩的机械阻抗Z_m为：

通过计算得到：

式中：

H₀(k_ja)为零阶汉克函数；

H₁(k_ja)为一阶汉克函数。

三、剪切振动

在描述平板剪切振动时所用到的参数含义和中间参数的计算方法与扭转振动中的说明相同。

平板剪切振动可以用纵波方程表示：

式中：

为波数，E为杨氏模量，A＝ha平板横截面积。

假设ζ(y)在波数空间的傅立叶变换为

同时激励作用力傅立叶变换为：

坐标原点选择在y＝y₀＝0处，

代入方程

当k_y≠±k_l时，波动位移

代入傅立叶逆变换得：

激励点的输入阻抗为：

本实施例中，根据式(E)、式(F)和式(G)，计算三种激励作用下无限大平板的输入机械阻抗，可以得出扭转机械阻抗和剪切机械阻抗均高于平板弯曲阻抗，扭转机械阻抗和剪切机械阻抗叠加后能形成更高的阻抗。

根据多重阻抗失配隔振原理，在铺板6与横舱壁振动传递通道上增加本发明所述的高阻抗基座，组成高低阻抗失配效果，可有效降低经由铺板6传递的振动能量。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种剪扭支撑高阻抗基座，其特征在于：包括一对间隔相对设置的第一基底(101)，所述第一基底(101)之间水平并列固接若干个第二基底(102)，所述第一基底(101)和第二基底(102)串联形成基座底柱(1)，所述第一基底(101)和第二基底(102)均为圆弧结构，

还包括腹板(2)，所述腹板(2)为带有弧度的三角形板状结构，腹板(2)包括第一直角边(201)、第二直角边(202)和斜边(203)，各第一基底(101)接触第二基底(102)的一端，以及各第二基底(102)的两端均与第一直角边(201)垂直固接，各第二直角边(202)上均开设若干个固定孔(204)，相邻的两条斜边(203)之间还夹接加强板(3)。

2.如权利要求1所述的一种剪扭支撑高阻抗基座，其特征在于：所述第一基底(101)为四分之一圆弧结构，第二基底(102)为半圆弧结构。

3.如权利要求2所述的一种剪扭支撑高阻抗基座，其特征在于：所述第一基底(101)和第二基底(102)的半径相同，第一基底(101)和第二基底(102)的宽度也相同。

4.如权利要求3所述的一种剪扭支撑高阻抗基座，其特征在于：所述第一基底(101)和第二基底(102)均为空心结构。

5.如权利要求4所述的一种剪扭支撑高阻抗基座，其特征在于：于第一基底(101)和第二基底(102)内部空腔中填充复合阻尼填料(4)。

6.如权利要求1所述的一种剪扭支撑高阻抗基座，其特征在于：所述腹板(2)的宽度小于第一基底(101)的宽度，腹板(2)的长度小于第一基底(101)的长度。

7.如权利要求1所述的一种剪扭支撑高阻抗基座，其特征在于：分别沿第一基底(101)和第二基底(102)内周边缘固接第一直角边(201)。

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