CN113525523B - 基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮 - Google Patents

基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮，内侧柔性基底与所述外侧柔性表皮之间是由多个柔性关节减振单元按照一定规律排布组成的点阵结构中间层，内侧柔性基底外壁和外侧柔性表皮内壁上设有球铰固定孔，球铰固定孔依照所述柔性关节减振单元点阵排布规律设置，柔性关节减振单元通过球铰固定孔与所述内侧柔性基底及所述外侧柔性表皮固定连接。基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮敷设于航行器表面，当航行器运动速度变化时，相邻流场脉动激励幅值及频率产生变化，蒙皮通过被动调整自身刚度与阻尼特性，能够更好的影响控制相邻流场结构，从而在流场速度变化时，依然能够保证良好的减阻降噪效果。

Description

基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮
技术领域
本发明涉及一种减阻降噪蒙皮，更具体的说是一种适用于流体推进装置的基于柔性关节减振单元点阵的减阻降噪蒙皮结构，属于节能减排、减振降噪、交通装备等领域。
背景技术
近年来，随着人员流动与物流运输需求的提高，飞机、高铁、船舶以及汽车等交通工具被广泛使用，伴随而来的是化石能源的大量消耗与温室效应的日益加剧。无论是空气中运行的飞机、高铁，还是水中航行的船舶、潜艇，其高速运动时均需承受由流体摩擦产生的巨大阻力，以及随之产生的流激噪声，前者不仅加大了航行器的能耗，同时限制了航行器的速度与航程，而后者则直接影响了驾驶人员与乘客的舒适度与安全性。因此发展航行器流体减阻降噪技术十分重要。
柔性表面减阻技术是源自海豚皮肤启发的被动控制流体减阻降噪技术，其不需附加传感器与致动装置，亦不需要额外能量输入，因此极具应用潜力。需要注意的是现有的仿海豚皮肤柔性减阻降噪蒙皮多是对海豚皮肤表皮及真皮层形貌的模仿，虽然在数值模拟及实验测试中获得了一定的减阻降噪效果，但其性能还远不及海豚皮肤，尤其是随着流场流速升高，其减阻效果明显下降，甚至会产生增阻现象。
为解决以上问题，部分研究采用主动控制手段，如通过加热及振动的方式影响柔性蒙皮与相邻流场的相互作用，从而提升蒙皮的减阻效率，此外还有研究指出海豚皮肤中厚达20-30mm的鲸脂层对其减阻降噪的重要作用，并采用高分子凝胶混合物等模拟鲸脂，也获得了一定的减阻效果，但是其面临凝胶等材料的力学特性难以测量及控制的问题。
由动物及昆虫肢体与关节启发而来的腿型机构是一种新型隔振系统，其刚度及阻尼特性能够随位移变化产生非线性变化，实现正、负及准零刚度等特征，从而能够按照设计产生有益的非线性动力学响应。
发明内容
本发明的目的是针对航行器的流体减阻降噪需求，提供一种模仿海豚皮肤结构中鲸脂层力学特性的流体减阻降噪蒙皮。方案是将若干具有柔性关节的空间腿型机构作为具有非线性刚度阻尼特性的减振单元，将其沿流向与展向周期排布组成点阵结构，将点阵结构与内外弹性基底与表皮连接，构成一种仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮结构。
本发明的目的是这样实现的：本发明包括内侧柔性基底、柔性关节减振单元、外侧柔性表皮。所述内侧柔性基底与所述外侧柔性表皮之间是由多个柔性关节减振单元按照一定规律排布组成的点阵结构中间层，所述内侧柔性基底外壁和外侧柔性表皮内壁上设有球铰固定孔，所述球铰固定孔依照所述柔性关节减振单元点阵排布规律设置，所述柔性关节减振单元通过球铰固定孔与所述内侧柔性基底及所述外侧柔性表皮固定连接。
所述的内侧柔性基底与外侧柔性表皮均为具有柔性的有机高分子材料制成。作为优选：所述的内侧柔性基底与外侧柔性表皮均为具有柔性的聚氨酯材质构成。
所述的柔性关节减振单元包括上球铰、下球铰、底座、顶盖、柔性关节以及弹性柱塞。所述上、下球铰分别通过所述球铰固定孔固定连接于所述外侧柔性表皮内壁和所述内侧柔性基底外壁上，所述底座与下球铰铰接，所述顶盖与上球铰铰接。所述柔性关节还包括关节下连杆、关节上连杆、下簧片、关节簧片和上簧片组成，所述关节下连杆两端分别固定连接所述下簧片和关节簧片，所述关节簧片另一端与所述关节上连杆固定连接，所述关节上连杆另一端与所述上簧片固定连接，至此构成一组柔性关节，其中所述下簧片与所述底座固定连接，所述上簧片与所述顶盖固定连接；所述弹性柱塞还包括柱塞、弹簧、柱塞套筒组成，所述柱塞一端与所述底座固定连接，所述柱塞可轴向移动地嵌套于所述柱塞套筒内，所述弹簧轴向套设于所述柱塞外侧，其两端分别与所述柱塞和柱塞套筒固定连接。
所述柔性关节为多组，多组所述柔性关节绕所述弹性柱塞圆周面间隔设置。作为优选：所述柔性关节为4个，4个所述柔性关节绕所述弹性柱塞圆周面间隔设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将多个柔性关节减振单元沿流向与展向周期排列组成点阵结构，将点阵结构与内外弹性基底及表皮连接，构成仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮结构。柔性表面减阻降噪实际上是蒙皮与流场之间耦合作用的结果。当航行器运动速度发生变化时，相邻流场脉动激励幅值及频率产生变化，该激励通过外侧柔性表皮传递至点阵机构，机构产生非线性动力学响应，调整自身刚度与阻尼特性，再通过外侧柔性表皮作用于相邻流场，因而通过设计使其能够更好的影响控制相邻流场结构，从而在流场速度提高时，依然能够保证蒙皮具有良好的减阻降噪效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的单个柔性关节减振单元结构示意图；
图3为图2中的弹性柱塞结构示意图；
图4为本发明的减阻特性三维示意图；
图5为本发明的降噪特性三维效果图；
图中标号说明：1.内侧柔性基底，2.柔性关节减振单元，3.外侧柔性表皮，4.球铰固定孔，5.下球铰，6.底座，7.下簧片，8.关节下连杆，9.关节簧片，10.关节上连杆，11.弹性柱塞，12.上簧片，13.顶盖，14.上球铰，15.柱塞，16.弹簧，17.柱塞套筒，18.航行器壳体，19.基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮，20.湍流激励，21.内部噪声，22.外部噪声。
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，本发明所述的一种基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮，包括内侧柔性基底1、柔性关节减振单元2、外侧柔性表皮3。内侧柔性基底1与外侧柔性表皮3之间是由多个柔性关节减振单元2按照一定规律排布组成的点阵结构中间层，内侧柔性基底1外壁和外侧柔性表皮2内壁上设有球铰固定孔4，球铰固定孔4依照所述柔性关节减振单元2的点阵排布规律设置，柔性关节减振单元2通过球铰固定孔4与内侧柔性基底1及外侧柔性表皮3固定连接。
具体的，内侧柔性基底1与外侧柔性表皮3均为具有柔性、质地轻薄特点的聚氨酯材料制成，且内侧柔性基底1与外侧柔性表皮3结构相同，可对外部声波的入射产生梯度材料效应。
结合图1、图2、图3对本发明的柔性关节减振单元2进行说明，柔性关节减振单元2包括上球铰14、下球铰5、底座6、顶盖13、弹性柱塞11及柔性关节组成。上球铰14和下球铰5分别通过球铰固定孔4固定连接于外侧柔性表皮3内壁和内侧柔性基底1外壁上，底座6与下球铰5铰接，顶盖13与上球铰14铰接。
柔性关节还包括关节下连杆8、关节上连杆10、下簧片7、关节簧片9和上簧片12组成，关节下连杆8两端分别固定连接下簧片7和关节簧片9，关节簧片9另一端与关节上连杆10固定连接，关节上连杆10另一端与上簧片12固定连接，至此构成一组柔性关节，其中下簧片7与底座6固定连接，上簧片12与顶盖13固定连接。
具体的，下簧片7、关节簧片9、上簧片12均采用弹簧钢材质，下簧片7、上簧片12弯折角度相同，三者均处于压缩状态安装。
弹性柱塞还包括柱塞15、弹簧16、柱塞套筒17组成，柱塞15一端与底座6固定连接，柱塞15可轴向移动地嵌套于柱塞套筒17内，弹簧16轴向套设于柱塞15上，其两端并分别与柱塞15和柱塞套筒17固定连接，至此构成柔性关节减振单元。
具体的，柔性关节为4个，4个柔性关节绕弹性柱塞11圆周面间隔设置，弹性柱塞11处于拉伸状态安装。
工作原理：
结合图2、图4，对本发明的减阻特性进行说明，处于压缩状态的下簧片7、关节簧片9、上簧片12和拉伸状态的弹性柱塞11使柔性关节减振单元2处于自平衡状态，柔性关节减振单元2可绕下球铰5和上球铰14自由转动，当外部湍流激励20通过外侧柔性表皮3传递至柔性关节减振单元2时，打破了柔性关节减振单元2的自平衡状态，使其被动的调整下簧片7、关节簧片9、上簧片12和弹性柱塞11的伸缩量，并绕下球铰5和上球铰14转动，即柔性关节减振单元2可根据外部激励20自适应的调整自身刚度、阻尼特性和工作角度，从而调控基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮19形态，使其能够更好的影响控制相邻流场结构，在抑制了湍流的形成与发展的同时，始终保持良好的减阻降噪效果及快速响应。
结合图5，对本发明的降噪特性进行说明。基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮19通过内侧柔性基底1敷设于航行器壳体18外表面上，当航行器在流体中运动时，外侧柔性表皮3表面受到湍流激励20的作用，基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮19为多层结构，能够有效抑制外部噪声22和内部噪声21的反射和透射，此外，基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮19具有刚度及阻尼可调性，可有效减少湍流激励20引起结构振动产生的噪声，从而达到消声、隔声的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
综上，本发明是为航行器提供一种基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮，包括内侧柔性基底、柔性关节减振单元、外侧柔性表皮。所述内侧柔性基底与所述外侧柔性表皮之间是由多个柔性关节减振单元按照一定规律排布组成的点阵结构中间层，所述内侧柔性基底外壁和外侧柔性表皮内壁上设有球铰固定孔，所述球铰固定孔依照所述柔性关节减振单元点阵排布规律设置，所述柔性关节减振单元通过球铰固定孔与所述内侧柔性基底及所述外侧柔性表皮固定连接。基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮敷设于航行器表面，当航行器运动速度变化时，相邻流场脉动激励幅值及频率产生变化，蒙皮通过被动调整自身刚度与阻尼特性，能够更好的影响控制相邻流场结构，从而在流场速度变化时，依然能够保证良好的减阻降噪效果。

Claims (4)

1.基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：包括内侧柔性基底、柔性关节减振单元、外侧柔性表皮，多个柔性关节减振单元排布组成的点阵结构中间层位于内侧柔性基底与外侧柔性表皮之间，所述内侧柔性基底外壁和外侧柔性表皮内壁上设有球铰固定孔，所述球铰固定孔依照所述柔性关节减振单元点阵排布规律设置，每个柔性关节减振单元通过对应的球铰固定孔与所述内侧柔性基底及所述外侧柔性表皮连接；所述的柔性关节减振单元包括上球铰、下球铰、底座、顶盖、柔性关节以及弹性柱塞，所述上球铰、下球铰分别通过所述球铰固定孔固定连接于所述外侧柔性表皮内壁和所述内侧柔性基底外壁上，所述底座与下球铰铰接，所述顶盖与上球铰铰接；所述柔性关节包括关节下连杆、关节上连杆、下簧片、关节簧片和上簧片，所述关节下连杆两端分别固定连接所述下簧片和关节簧片，所述关节簧片另一端与所述关节上连杆固定连接，所述关节上连杆另一端与所述上簧片固定连接，至此构成一组柔性关节，所述下簧片与所述底座固定连接，所述上簧片与所述顶盖固定连接；所述弹性柱塞还包括柱塞、弹簧、柱塞套筒，所述柱塞一端与所述底座固定连接，所述柱塞可轴向移动地嵌套于所述柱塞套筒内，所述弹簧轴向套设于所述柱塞外侧，其两端分别与所述柱塞和柱塞套筒固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述柔性关节为多组，多组所述柔性关节绕所述弹性柱塞圆周面间隔设置。
3.根据权利要求2所述的基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述柔性关节为4个，4个所述柔性关节绕所述弹性柱塞圆周面间隔设置。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于柔性关节减振单元点阵结构的仿鲸脂流体减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述的内侧柔性基底与外侧柔性表皮均为具有柔性的有机高分子材料制成，具体为：柔性的聚氨酯材质构成。
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