CN113361012A - 超材料减振降噪加筋壁板及方法 - Google Patents

超材料减振降噪加筋壁板及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种超材料减振降噪加筋壁板及方法，属于板壳减振降噪技术领域；包括壁板，以及设置于壁板上的超材料加强筋，所述超材料加强筋包括加强筋和周期性排列的微型悬臂梁结构；所述加强筋垂直固定于壁板上，其侧壁顶端沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构；所述加强筋为工字型、L型或Z字型的等截面形状，下底面平行固定于壁板上。本发明在壁板加强筋结构上进行超材料结构设计，将加强筋一面设计成若干个微型悬臂梁结构，微型悬臂梁结构与加强筋的材质相同且一体成型，加工方便，并且加筋壁板的承载能力不会降低。具有较强的工程应用前景，为各类工程领域的加筋壁板结构提供了新的设计思路，特别是在加筋板壳结构减振降噪设计领域的应用前景广阔。

Description

超材料减振降噪加筋壁板及方法
技术领域
本发明属于板壳减振降噪技术领域，具体涉及一种超材料减振降噪加筋壁板及方法。
背景技术
板壳结构在航空航天、土木、车辆和船舶等领域作为各类装备的基本组成构件或部件，是产生和传递振动与噪声的主要载体和导体。尤其对于航空航天飞行器结构，在高速飞行中会受到严重的气动、热、噪声及机械等载荷作用，这些载荷使得板壳结构发生剧烈的振动，造成机体结构的疲劳损伤，甚至破坏，从而影响结构承载能力。因此，板壳结构的减振降噪具有重要的科研价值和工程背景。
目前壁板结构的减振降噪手段主要包括被动减振降噪技术和主动减振降噪技术。壁板被动减振降噪通常是通过提高壁板结构刚度等方式降低壁板变形，主要通过壁板增添加强筋、内部铺设增强材料以及安装动力吸振器等措施，可靠性较高，但会给结构带来附加重量且对振动环境适应性不强。更重要的是，大多被动减振降噪装置相对于主结构刚度较低，不能兼顾承载的功能。主动减振降噪技术需要外部提供额外的能量，通过主动改变受控结构的刚度或阻尼，最终达到减缓结构振动和噪声水平的目的。虽然主动减振降噪技术可以更好适应多变工况，但需要安装较多控制器件，且较大的安装空间，不符合实际工程中轻量化设计的思想。另外，这些控制器件在机械应力、高温等影响下可能出现可靠性降低，甚至失效的风险。加筋壁板结构是航空航天飞行器、高速列车和船舶等工程领域广泛采用的结构形式，如何对现有加筋壁板结构进行合理改进设计，使其在满足结构承载和轻量化设计的要求下，同时能够具备减振降噪的功能，是今后结构动力学领域研究的一个重要方向。
近些年提出的“超材料”、“超构表面”等新概念为结构减振降噪的理论技术提供了新的方向和契机。利用超材料结构的带隙特性来抑制结构中的弹性波传播，可以达到结构减振降噪的目的。基于超材料结构抑制弹性波的传播已经得到了广泛的关注和深入研究。2020年公布的一项发明：一种承载隔振一体化的板壳超结构及其设计方法(申请公布号：CN111985135 A),该发明公开一种承载隔振一体化的板壳超结构及其设计方法，对被保护对象和振源进行隔离。但是，其设计的截面轮廓线为类反正弦函数曲线，加工难度大，且不易安装，承载能力相比于加筋结构较低，难以应用于工程实际中的板壳结构。因此，本发明将超材料设计思想引入到工程领域的加筋壁板结构设计中，提出一种同时具备承载和减振降噪能力的超材料加筋壁板结构。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超材料减振降噪加筋壁板及方法，结构设计简洁，加工方便，通过对超材料加强筋进行参数设计，利用带隙特性对壁板进行宽频减振降噪设计，使其同时兼具承载和减振降噪的功能。
本发明的技术方案是：一种超材料减振降噪加筋壁板，包括壁板；其特征在于：还包括设置于壁板上的超材料加强筋，所述超材料加强筋包括加强筋和周期性排列的微型悬臂梁结构；所述加强筋垂直固定于壁板上，其侧壁顶端沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构。
本发明的进一步技术方案是：所述加强筋为工字型、L型或Z字型的等截面形状，下底面平行固定于壁板上；工字型加强筋倒置，其长臂一端位于上方，两侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构；L型加强筋横置，其短臂垂直于壁板设置，长臂位于上方平行于壁板，长臂外侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构；Z字型加强筋位于中间的支撑臂垂直于壁板设置，位于上方的支臂平行于壁板，外侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构。
本发明的进一步技术方案是：所述若干微型悬臂梁结构为等长或非等长的周期性排列结构。
本发明的进一步技术方案是：所述若干微型悬臂梁结构以对称或非对称周期性排布在加强筋上。
本发明的进一步技术方案是：所述超材料加强筋的材质相同且一体成型。
本发明的进一步技术方案是：所述壁板上设置一组或多组超材料加强筋，多组超材料加强筋相互平时设置或成角度拼接。
一种超材料减振降噪加筋壁板的设计方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：建立包括壁板、加强筋、若干微型悬臂梁结构的超材料加筋壁板有限元模型；
步骤2：根据外载荷频率和壁板固有特性，对超材料微型悬臂梁结构的参数进行设计；若干微型悬臂梁结构根据被控壁板的固有频率设计其长度为d，横截面积为A，其等效质量mr和等效刚度kr根据以下公式计算：
Figure BDA0003123457120000031
Figure BDA0003123457120000032
其中：ρ为悬臂梁材料密度；Er为悬臂梁材料弹性模量；I为悬臂梁的截面惯性矩；φ为悬臂梁的一阶弯曲振型函数，表示为：
Figure BDA0003123457120000033
由此，得到微型悬臂梁的一阶弯曲频率，具体公式如下：
Figure BDA0003123457120000034
步骤3：针对被控壁板所需抑制的频带，通过调整微型悬臂梁的长度d来改变其弯曲频率，同时调整各悬臂梁之间的间距，构成具有相应带隙特性的周期结构；
步骤4：根据步骤2和步骤3能够形成宽频减振降噪-承载一体化的超材料加筋壁板结构。
有益效果
本发明的有益效果在于：在壁板加强筋结构上进行超材料结构设计，将加强筋一面设计成若干个微型悬臂梁结构，微型悬臂梁结构与加强筋的材质相同且一体成型，加工方便，并且加筋壁板的承载能力不会降低。
当被控壁板结构受到外部激励力时，超材料加强筋上的微型悬臂梁结构产生振动。每个微型悬臂梁的尺寸结构(长度×宽度×厚度)根据外部激励频率与主结构的固有频率进行参数设计。根据主结构的被控频率要求，通过尺寸设计调整若干微型悬臂梁结构的弯曲共振频率，并对微型悬臂梁结构进行周期性排布，从而构成具有相应带隙特性的超材料结构，利用其带隙特性对主结构的不同频带的振动进行抑制。基于共振俘获机制，被控频带的振动能量被大量传递到超材料加强筋的悬臂梁结构上，从而实现主结构振动抑制的功能。由此，该提出的超材料加筋壁板能够同时达到承载及宽频减振降噪的功能。
本发明结构设计简洁简单，加工方便，用途广泛，具有较强的工程应用前景，为各类工程领域的加筋壁板结构提供了新的设计思路，特别是在加筋板壳结构减振降噪设计领域的应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的超材料加筋壁板结构整体示意图；
图2是本发明的一种基于工字型加筋的超材料加强筋结构示意图；
图3是本发明的一种基于L型加筋的超材料加强筋结构示意图；
图4是本发明的一种基于Z型加筋的超材料加强筋结构示意图；
图5是本发明的具有周期分布形式的超材料加强筋结构示意图；
图6是本发明的具有不同加强筋排列形式的超材料加筋壁板结构示意图；
图7是传统加筋壁板和超材料加筋壁板示意图；
图8是传统加筋壁板和超材料加筋壁板响应幅值的频响曲线图；
图9是多排加强筋排列形式的超材料加筋壁板结构示意图；
图10是多排加强筋排列形式的超材料加筋壁板响应幅值的频响曲线图；
附图标记说明：1-壁板、2-超材料加强筋、3-工字加强筋、4-周期性排列的微型悬臂梁结构、5-振源、6-受保护对象。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的一种同时兼顾承载和减振降噪的超材料加筋壁板结构，如图1所示，包括壁板1和超材料加筋结构2；超材料加筋结构2是在工字加强筋3的基础上进行超材料设计，加强筋底面与壁板结构进行连接，另一端面由若干个微型悬臂梁结构4组成；若干微型悬臂梁结构通过参数设计并周期性排布在加强筋3上。加强筋3与多干微型悬臂梁结构4的材质相同，可以采用3D打印一体成型。如图2所示为一种基于工字梁的超材料加强筋结构。
参照图2-4所示，所述加强筋为工字型、L型或Z字型的等截面形状，下底面平行固定于壁板上；工字型加强筋倒置，其长臂一端位于上方，两侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构；L型加强筋横置，其短臂垂直于壁板设置，长臂位于上方平行于壁板，长臂外侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构；Z字型加强筋位于中间的支撑臂垂直于壁板设置，位于上方的支臂平行于壁板，外侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构。
壁板1如图1所示，其长度、宽度和厚度分别为L、W和h，具体尺寸根据载荷工况决定。通过在壁板1中设置加强筋3，提高整体结构承载能力。加强筋3可选择工字、L型、Z字型等截面的加强筋，加强筋的截面参数根据载荷工况决定。图3给出一种基于L型梁的超材料加强筋结构，图4给出基于Z型梁的超材料加强筋结构。
根据振动频率和壁板固有特性，对超材料微型悬臂梁结构的参数(包括悬臂梁长度、分布形式等)进行设计，调节各个微型悬臂梁结构的自振频率，构成具有独特带隙特性的周期结构，如图5所示为具有周期分布形式的超材料加强筋结构。在超材料加筋壁板结构受到外载荷作用时，加强筋结构主要用于承载作用，通过对微型悬臂梁弯曲频率进行设计，使得壁板的振动能量大量传递到超材料加强筋结构上，利用其带隙特性，从而达到宽频减振降噪的目的。具体步骤如下：
步骤1：建立包括壁板、加强筋、若干微型悬臂梁结构的超材料加筋壁板有限元模型；
步骤2：根据外载荷频率和壁板固有特性，对超材料微型悬臂梁结构的参数进行设计；若干微型悬臂梁结构根据被控壁板的固有频率设计其长度为d，横截面积为A，其等效质量mr和等效刚度kr根据以下公式计算：
Figure BDA0003123457120000061
Figure BDA0003123457120000062
其中：ρ为悬臂梁材料密度；Er为悬臂梁材料弹性模量；I为悬臂梁的截面惯性矩；φ为悬臂梁的一阶弯曲振型函数，表示为：
Figure BDA0003123457120000063
由此，得到微型悬臂梁的一阶弯曲频率，具体公式如下：
Figure BDA0003123457120000064
步骤3：针对被控壁板所需抑制的频带，通过调整微型悬臂梁的长度d来改变其弯曲频率，同时调整各悬臂梁之间的间距，构成具有相应带隙特性的周期结构；
步骤4：根据步骤2和步骤3能够形成宽频减振降噪-承载一体化的超材料加筋壁板结构。
图1为超材料加筋壁板的基础设计，根据载荷工况需求，如图6(a)和图6(b)所示，可设计成具有不同加强筋排列形式的超材料加筋壁板结构，通过对超材料加强筋结构的参数(包括加强筋的形状、排布方式和尺寸，以及周期微型悬臂梁结构分布形状等参数)进行优化设计，进而实现更优的承载和宽频减振降噪能力。
下面以具体实施例对本发明的承载和宽频减振降噪一体化的超材料加筋壁板进行解释说明：
如图7(a)和(b)分别给出传统加筋壁板和超材料加筋壁板示意图。壁板(1)长度、宽度和厚度分别为L＝500mm，W＝300mm，h＝5mm。采用矩形截面的加强筋(3)，周期微型悬臂梁结构4与加强筋3一体成型，材料均采用7075铝合金，其密度、杨氏模量及泊松比分别为2810kg/m3、71.7GPa及0.33。加强筋长500mm、矩形截面尺寸为厚2mm、高10mm。根据壁板前三阶被控频率，本算例建立的超材料加筋壁板结构周期布置了20个超胞，每个超胞有3个微型悬臂梁。所设计的悬臂梁的尺寸分别为：最长的微型悬臂梁长10mm、宽3mm、厚1.03mm，次长的微型悬臂梁长7.9mm、宽3mm、厚为1.03mm，最短的微型悬臂梁长6.34mm、宽3mm、厚1.03mm，其基频分别壁板前三阶被控频率。微型悬臂梁之间的间距设为H＝2mm，等间距分布。
在COMSOL Multiphysics中对设计的超材料加筋壁板进行模拟，将振源5和受保护对象6隔开，壁板结构1采用四边固支约束条件。在振源5处施加幅值为500N/m2、频率为330Hz～920Hz的简谐激振力，计算响应幅值结果如图8所示。对比结果表明，所设计的超材料加筋壁板在壁板前三阶被控频率处具有显著的减振效果。
如图9所示的多排加强筋排列形式的超材料加筋壁板结构，壁板1长度、宽度和厚度分别为L＝800mm，W＝500mm，h＝2mm。采用3排矩形截面的加强筋3，长度为500mm、矩形截面尺寸为厚4mm、高10mm。所设计的悬臂梁的尺寸分别为：最长的微型悬臂梁长8mm、宽3mm、厚1mm，次长的微型悬臂梁长5mm、宽3mm、厚为1mm，最短的微型悬臂梁长3mm、宽3mm、厚1mm，等间距分布。在COMSOL Multiphysics中对设计的超材料加筋壁板进行模拟，在振源5处施加幅值为500N/m2、频率为330Hz～910Hz的简谐激振力，计算响应幅值结果如图10所示。可以明显看出，在带隙范围内，壁板结构振动响应幅值得到了很好的抑制。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种超材料减振降噪加筋壁板，包括壁板；其特征在于：还包括设置于壁板上的超材料加强筋，所述超材料加强筋包括加强筋和周期性排列的微型悬臂梁结构；所述加强筋垂直固定于壁板上，其侧壁顶端沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构。
2.根据权利要求1所述超材料减振降噪加筋壁板，其特征在于：所述加强筋为工字型、L型或Z字型的等截面形状，下底面平行固定于壁板上；工字型加强筋倒置，其长臂一端位于上方，两侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构；L型加强筋横置，其短臂垂直于壁板设置，长臂位于上方平行于壁板，长臂外侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构；Z字型加强筋位于中间的支撑臂垂直于壁板设置，位于上方的支臂平行于壁板，外侧均沿长度方向均布若干微型悬臂梁结构。
3.根据权利要求1所述超材料减振降噪加筋壁板，其特征在于：所述若干微型悬臂梁结构为等长或非等长的周期性排列结构。
4.根据权利要求1所述超材料减振降噪加筋壁板，其特征在于：所述若干微型悬臂梁结构以对称或非对称周期性排布在加强筋上。
5.根据权利要求1所述超材料减振降噪加筋壁板，其特征在于：所述超材料加强筋的材质相同且一体成型。
6.根据权利要求1所述超材料减振降噪加筋壁板，其特征在于：所述壁板上设置一组或多组超材料加强筋，多组超材料加强筋相互平时设置或成角度拼接。
7.一种权利要求1-5任一项所述超材料减振降噪加筋壁板的设计方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：建立包括壁板、加强筋、若干微型悬臂梁结构的超材料加筋壁板有限元模型；
步骤2：根据外载荷频率和壁板固有特性，对超材料微型悬臂梁结构的参数进行设计；若干微型悬臂梁结构根据被控壁板的固有频率设计其长度为d，横截面积为A，其等效质量mr和等效刚度kr根据以下公式计算：
Figure FDA0003123457110000011
Figure FDA0003123457110000021
其中：ρ为悬臂梁材料密度；Er为悬臂梁材料弹性模量；I为悬臂梁的截面惯性矩；φ为悬臂梁的一阶弯曲振型函数，表示为：
Figure FDA0003123457110000022
由此，得到微型悬臂梁的一阶弯曲频率，具体公式如下：
Figure FDA0003123457110000023
步骤3：针对被控壁板所需抑制的频带，通过调整微型悬臂梁的长度d来改变其弯曲频率，同时调整各悬臂梁之间的间距，构成具有相应带隙特性的周期结构；
步骤4：根据步骤2和步骤3能够形成宽频减振降噪-承载一体化的超材料加筋壁板结构。
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