CN114183489A - 一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，包括圆柱壳壳体，多个连接在圆柱壳壳体内壁上的环形加强筋，多个连接在所述圆柱壳壳体内壁且位于加强筋之间的声学黑洞构件，多个连接在声学黑洞构件下表面的阻尼层；声学黑洞构件上表面为弧形面、下表面为台状凸起，且沿台状凸起两侧为呈流线型渐缩面，台状凸起平贴于圆柱壳壳体内壁，阻尼层附在流线型渐缩面两端部。将圆柱壳外壳上的弯曲波能量集中到声学黑洞构件上，并利用附着在声学黑洞构件表面的阻尼层实现对弯曲波振动能量的吸收与耗散，无需对圆柱壳结构进行去除、挖空操作，在不破坏主结构的强度与刚度的同时，达到较好地减振降噪的目的。

Description

一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构

技术领域

本发明涉及结构减振降噪与声振技术领域，特别是涉及一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构。

背景技术

在航空、航天、航海和民用交通等领域，薄壁构件以其轻量化、强度高等特点得到大量应用，但随之带来了振动加剧和噪声污染等有害问题。近年来，在力学领域提出的声学黑洞结构不仅具有轻量化特征，还有高阻尼、高频散、低辐射效率和能量聚集等特性，在振动噪声控制、声波调控和高效能量回收等领域展示了极大的应用潜力。

声学黑洞概念可以类比天体物理学中的黑洞概念。天体物理学中黑洞是指一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小，热量无限大的奇点，可以吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。声学黑洞的概念可以与之类比，声学黑洞效应通过对梁或薄板结构厚度进行幂律剪裁或者对材料特性进行梯度修改的方式，使弯曲波的相速度和群速度逐渐减小以至于趋近于零，从而实现弯曲波在末端产生弯曲波聚集效应，形成高能量密度区域。

现今对于声学黑洞的研究主要包括一维和二维结构，声学黑洞作为一种单相材料，仅依赖于结构厚度剪裁的剪裁，理想声学黑洞结构其厚度变化规律服从幂率分布h(x)＝εx^m(其中ε为剖面斜率，m为黑洞阶次)理想情况下，声学黑洞结构厚度沿着x减小的方向剪裁至零。通过在声学黑洞尖端处附加阻尼材料，可以达到很好地能量吸收与减振降噪效果。

但是，现今对于一维与二维声学黑洞结构，都需要对原有工程结构进行剪裁，例如进行去除、挖空操作，这增加了工程结构的加工操作复杂度，同时削弱了主结构的厚度，会大大降低原有工程结构的刚度和强度，严重影响了工程结构的性能，阻碍了声学黑洞的应用与推广。

因此，在圆柱壳结构减振抑制过程中，设计一种不破坏原有结构几何特征和强度的基于声学黑洞效应的圆柱壳减振装置是非常重要的。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，通过在圆柱壳内壁附加声学黑洞构件，在不破坏主结构的强度与刚度的同时，达到较好地减振降噪的目的。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，包括圆柱壳壳体，多个连接在所述圆柱壳壳体内壁上的环形加强筋，多个连接在所述圆柱壳壳体内壁且位于加强筋之间的声学黑洞构件，多个连接在声学黑洞构件下表面的阻尼层；

所述声学黑洞构件上表面为弧形面、下表面为台状凸起，且沿台状凸起两侧为呈流线型渐缩面，台状凸起平贴于圆柱壳壳体内壁，阻尼层附在流线型渐缩面两端部。

作为优选，多个所述声学黑洞构件刚性连接于所述圆柱壳壳体内壁上；

多个所述声学黑洞构件环形对称分布在所述圆柱壳壳体内壁上。

作为优选，相邻的声学黑洞构件分布于两道加强筋之间互不接触。

作为优选，声学黑洞构件包括中间均匀区域、第一声学黑洞区域和第二声学黑洞区域，中间均匀区域为台状凸起位置，第一声学黑洞区域和第二声学黑洞区域为台状凸起两侧的流线型渐缩面位置，阻尼层分别粘贴在第一声学黑洞区域和第二声学黑洞区域。

作为优选，沿声学黑洞构件的上表面到下表面切向轴线的径向距离H为：

其中，以圆柱壳壳体的中心为原点，到第一声学黑洞区域的边缘线连线为起始角；θ₁为第一声学黑洞区域与中间均匀区域的交界线到原点连线，与初始角的夹角；θ₂为中间均匀区域的径向竖直轴线与初始角的夹角；h₁为声学黑洞构件3的边缘厚度，h₁≥0；h₂为中间均匀区域的上表面到切向轴线的径向距离；ε为剖面斜率，ε＞0；m为黑洞阶次，m≥2。

作为优选，台状凸起中间均匀区域的厚度为圆柱壳厚度的2倍；

两侧的流线型渐缩面边缘厚度为台状凸起中间均匀区域的厚度的0.05倍。

作为优选，阻尼层厚度为两侧的流线型渐缩面边缘厚度的4倍。

作为优选，多个所述加强筋呈等间距阵列连接在所述圆柱壳壳体内壁上；

所述加强筋是曲率恒定的圆环形。

作为优选，所述圆柱壳壳体、加强筋和声学黑洞构件材质为Q235A3钢；阻尼层的材质为橡胶、泡沫塑料或高阻尼合金之一。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，在减振结构的均匀区域即圆柱壳壳体区域，声学黑洞构件利用声学黑洞效应，将圆柱壳外壳上的弯曲波能量集中到声学黑洞构件上，并利用附着在声学黑洞构件表面的阻尼层实现对弯曲波振动能量的吸收与耗散，无需对圆柱壳结构进行去除、挖空操作，是实现弯曲波振动能量的高效吸收的一种切实可行的有效手段，进而体现出声学黑洞结构在工业管道设备、压力容器、汽车/船舶舱室等一系列减振控制结构中的广泛应用前景，对振动控制理论和方法的研究也是一种补充和拓宽。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明减振结构的立体结构示意图；

图2为本发明减振结构的沿轴向切开的立体结构示意图；

图3为本发明减振结构中的加强筋的立体结构示意图；

图4为本发明减振结构中的加强筋的多单元分布示意图；

图5为本发明减振结构中两道加强筋之间声学黑洞构件多单元分布示意图；

图6为本发明减振结构中的声学黑洞构件与阻尼层的立体结构示意图；

图7为本发明减振结构中的阻尼层的立体结构示意图；

图8为本发明减振结构中的声学黑洞构件的截面示意图；

图9为本发明减振结构和未附加声学黑洞构件圆柱壳结构的模态损耗因子对比图；

图10为本发明减振结构和未附加声学黑洞构件圆柱壳结构减振性能对比图。

附图中标记分别为：1-圆柱壳壳体；2-加强筋；3-声学黑洞构件；4-阻尼层。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-2所示，本发明提供一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其包括：圆柱壳壳体1，在圆柱壳壳体1内壁上连接有多个环形加强筋2，在多个加强筋2之间设有沿圆柱壳壳体1内壁环向分布的声学黑洞构件3，在声学黑洞构件3的表面设置有阻尼层4。

如图3所示，加强筋2是曲率恒定的圆环形；加强筋2刚性连接在圆柱壳壳体1内壁上，以此增强圆柱壳减振结构的强度和抗弯能力。

如图4所示，多个加强筋2等间距阵列连接在圆柱壳壳体1内壁上。

如图5所示，多个声学黑洞构件3环形对称分布、刚性连接于圆柱壳壳体1内壁上，以此在不破化主结构的强度与刚度的同时，聚集圆柱壳体传递而来的弯曲波振动能量。

多个声学黑洞构件3分布于两道加强筋2之间。声学黑洞构件3与相邻的声学黑洞构件3互不接触。

声学黑洞构件3的排布数量可根据减振结构对振动频率的计算结果来确定。

如图6所示，声学黑洞构件3上表面为弧形面、下表面为台状凸起，且沿台状凸起两侧为呈流线型渐缩面，台状凸起平贴于圆柱壳壳体内壁，流线型渐缩面两端部附有阻尼层4。声学黑洞构件包括中间均匀区域3-1、第一声学黑洞区域3-2和第二声学黑洞区域3-3，中间均匀区域3-1为台状凸起位置，第一声学黑洞区域3-2和第二声学黑洞区域3-3为台状凸起两侧的流线型渐缩面位置，阻尼层4分别粘贴在第一声学黑洞区域3-2和第二声学黑洞区域3-3。声学黑洞构件3的中间均匀区域3-1的表面与圆柱壳壳体1的内壁刚性连接。

阻尼层结构见图7所示，阻尼层4为一个曲面薄片，以此吸收与耗散圆柱壳体传递而来的振动能量。

如图8所示，声学黑洞构件3的下表面为切向轴线，垂直于声学黑洞构件3上、下表面中点，经过圆柱壳壳体1的中心原点的轴线为径向竖直轴线；声学黑洞构件3的上表面到下表面的切向轴线的径向距离为H：

其中，以圆柱壳壳体1的中心为原点，到第一声学黑洞区域3-1的边缘线连线为起始角，θ₁为第一声学黑洞区域3-1与中间均匀区域3-3的交界线到原点连线，与初始角的夹角，θ₂为中间均匀区域3-3的径向竖直轴线与初始角的夹角，h₁≥0为声学黑洞构件3的边缘厚度，h₂为中间均匀区域3-3的上表面到所述切向轴线的径向距离，ε＞0为剖面斜率，m≥2为黑洞阶次。

对于本发明的一个实施例，选取圆柱壳壳体1外径为500mm，长度为1000mm，径向厚度为3mm。

选取加强筋2的外径与圆柱壳壳体1内径相同，加强筋宽度为9mm，加强筋2径向厚度为7.5mm。

通过有限元仿真模拟软件Comsol Mutiphysics5.6进行结构参数优化，选取声学黑洞构件3的中间均匀区域3-3的径向厚度尺寸为6mm，声学黑洞构件3的边缘径向剪切厚度为0.3mm，声学黑洞宽度为55mm。

其中，圆柱壳壳体1、加强筋2与声学黑洞构件3材质为Q235A3钢。

其中，阻尼层4的材质为橡胶、泡沫塑料和高阻尼合金之一。同时，本发明设计了一个尺寸完全相同的未附加声学黑洞结构的圆柱壳体进行对比研究。

本发明的工作原理为：当外部振动点激励作用在圆柱壳减振结构外表面时，圆柱壳体将发生振动，此时圆柱壳壳体1内部将产生弯曲波，弯曲波通过声学黑洞构件的3的中间均匀区域3-1传递到声学黑洞构件3的第一声学黑洞区域3-2和第二声学黑洞区域3-3，由于第一声学黑洞区域3-2和第二声学黑洞区域3-3厚度逐渐减小，根据声学黑洞效应，弹性波累积相位逐渐变大，波速逐渐减小，当弹性波传递到第一声学黑洞区域3-2和第二声学黑洞区域3-3边缘厚度最薄处，弯曲波累积相位达到最大，等效波速减至最小，利用粘贴在声学黑洞构件3表面的阻尼层4实现对圆柱壳体传递而来的振动能量的吸收与耗散。

下面通过Comsol Mutiphysics5.6有限元仿真软件建立仿真模型，进行圆柱壳减振结构中的声学黑洞构件的参数优化，计算圆柱壳结构的阻尼特性和振动性能。

1、模型参数寻优

利用COMSOL Multiphysics5.6有限元仿真软件进行固体力学仿真以寻求最优尺寸。COMSOL Multiphysics5.6仿真模型图如图1所示，在仿真时，建立的圆柱壳壳体模型尺寸为外径为500mm，长度为1000mm，径向厚度为3mm。加强筋2的外径与所述圆柱壳壳体1内径相同，加强筋宽度为9mm，加强筋2径向厚度为7.5mm。

进一步的，本发明给出了一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构中声学黑洞构件的设计方法，包括下述步骤：

1)首先改变声学黑洞均匀部分厚度h₂，比较不同参数下全频带相对较小的圆柱壳表面均方速度(MSV)，最终选择声学黑洞均匀部分厚度为圆柱壳厚度的2倍。

2)然后改变声学黑洞边缘厚度h₁，比较不同参数下全频带相对较小的圆柱壳表面均方速度(MSV)，最终选择声学黑洞边缘厚度为声学黑洞均匀部分厚度的0.05倍。

3)其次改变圆柱壳横截面上声学黑洞构件单元个数，比较不同单元个数下全频带相对较小的圆柱壳表面均方速度(MSV)，最终选择声学黑洞构件单元个数为6个。

4)之后改变阻尼层厚度h_v，比较不同参数下全频带相对较小的圆柱壳表面均方速度(MSV)，最终选择阻尼层厚度为声学黑洞边缘厚度的4倍。

5)最后改变阻尼层半径r_v，比较不同参数下全频带相对较小的圆柱壳表面均方速度(MSV)，最终选择阻尼层半径为声学黑洞半径的0.5倍。

通过改变声学黑洞构件几何参数进行模型优化，最终设计的圆柱壳减振结构中的声学黑洞构件所选择的几何尺寸为中间均匀区域3-3的径向厚度尺寸为6mm，所述声学黑洞构件3的边缘径向剪切厚度为0.3mm，声学黑洞宽度为55mm。

圆柱壳壳体1、加强筋2与声学黑洞构件3材质选取为Q235A3钢。阻尼层4的材质选取为橡胶、泡沫塑料和高阻尼合金之一。

2、模型计算结果分析

1)阻尼特性

由图9可知，本发明实施例中基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构可大幅提高结构的固有阻尼，相比传统圆柱壳减振结构，其系统结构模态阻尼特性得到了大幅度有效提升，特别是在500-1000Hz频域内，提升效果高达3-16倍，能够针对结构弯曲波的振动进行有效抑制。

2)振动特性

由图10可知，本发明实施例中基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构的表面均方振动速度在全频带(20-1000Hz)都得到明显降低，特别是500Hz以后，本发明实施例中基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构的表面均方速度相比传统未附加声学黑洞构件的圆柱壳结构在表面均方振动速度能够降低20dB，具备突出的减振效果。

本发明提供的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，有效解决了圆柱壳结构的振动抑制问题，此圆柱壳减振结构在不破坏原有圆柱壳结构几何特征和强度的基础上实现对振动能量的高效吸收，具有结构简单且减振效果优良的技术优势，在圆柱壳式结构和圆环结构振动控制方面具有广阔的应用前景。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，包括圆柱壳壳体，多个连接在所述圆柱壳壳体内壁上的环形加强筋，多个连接在所述圆柱壳壳体内壁且位于加强筋之间的声学黑洞构件，以及多个连接在声学黑洞构件下表面的阻尼层；

所述声学黑洞构件上表面为弧形面、下表面为台状凸起，且沿台状凸起两侧为呈流线型渐缩面，台状凸起平贴于圆柱壳壳体内壁，阻尼层附在流线型渐缩面两端部。

2.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，多个所述声学黑洞构件刚性连接于所述圆柱壳壳体内壁上；

多个所述声学黑洞构件环形对称分布在所述圆柱壳壳体内壁上。

3.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，相邻的声学黑洞构件分布于两道加强筋之间互不接触。

4.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，声学黑洞构件包括中间均匀区域、第一声学黑洞区域和第二声学黑洞区域，中间均匀区域为台状凸起位置，第一声学黑洞区域和第二声学黑洞区域为台状凸起两侧的流线型渐缩面位置，阻尼层分别粘贴在第一声学黑洞区域和第二声学黑洞区域。

5.根据权利要求4所述的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，沿声学黑洞构件的上表面到下表面切向轴线的径向距离H为：

其中，以圆柱壳壳体的中心为原点，到第一声学黑洞区域的边缘线连线为起始角；θ₁为第一声学黑洞区域与中间均匀区域的交界线到原点连线，与初始角的夹角；θ₂为中间均匀区域的径向竖直轴线与初始角的夹角；h₁为声学黑洞构件3的边缘厚度，h₁≥0；h₂为中间均匀区域的上表面到切向轴线的径向距离；ε为剖面斜率，ε＞0；m为黑洞阶次，m≥2。

6.根据权利要求4所述的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，台状凸起中间均匀区域的厚度为圆柱壳厚度的2倍；

两侧的流线型渐缩面边缘厚度为台状凸起中间均匀区域的厚度的0.05倍。

7.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，阻尼层厚度为两侧的流线型渐缩面边缘厚度的4倍。

8.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，多个所述加强筋呈等间距阵列连接在所述圆柱壳壳体内壁上；

所述加强筋是曲率恒定的圆环形。

9.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞效应的圆柱壳减振结构，其特征在于，所述圆柱壳壳体、加强筋和声学黑洞构件材质为Q235A3钢；阻尼层的材质为橡胶、泡沫塑料或高阻尼合金之一。

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