CN116502330A - 带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法 - Google Patents

带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法，其包括内壳、外壳和多个肋板，多个肋板间隔设置在内壳和外壳之间，肋板的两端分别与内壳及外壳焊接；还包括多组设置在相邻两个肋板之间的微结构胞元，微结构胞元包括第一细杆、第二细杆和质量点，质量点分别与第一细杆和第二细杆的一端相连接，第一细杆和第二细杆远离质量点的一端分别与相邻两个肋板相对的一面固定连接。本发明采用的细杆‑质量点方式，可以进行多参数优化设计，质量以及振动控制频段可调节，且布置灵活。可以实现在较小的质量代价下，人为有针对性的调节壳体结构中波传播特性，对低频减振具有良好优势。

Description

带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法。
背景技术
目前，水下航行器普遍采用双层壳体结构，双层壳体结构包括位于内部的内壳和位于外部的外壳，内壳和外壳之间通过该多个实肋板进行焊接为一体，相对于单层壳体结构，双层壳体结构能够更好的保护内部壳体不受损伤。
目前壳体结构的减振方式有几种：一种是对振源减振，如对壳体结构上安装的机械动力设备加装隔振系统(如隔振器、气囊隔振器、浮筏架等)，降低机械设备振动传递到壳体上的振动，但是这种方式对振源设备的激励特性(尤其是频谱分布特性)不会产生太大影响，只是局部频段的峰值削减；二是对壳体进行加强，如壳板增厚或增加加强筋等，这种方式会导致结构重量明显增加，且对激励源的振动特性不会有影响，低频段的减振效果存在巨大挑战。
如公开号为CN111806622B的中国专利公开了一种带有减振功能的水下智能双层壳体结构，它是通过在外壳的内表面安装压电传感器检测外壳的振动，在外壳的外表面安装压电作动器对外壳的振动进行控制，进而可实现水下双层壳体结构振动的主动控制。上述方式虽然一定程度上可以进行低频段减振，但在外壳和内壳表面需要安装大量的电气元件，需要完全依赖于电能来转换成机械能实施减振，可调节性差。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法，可针对性的调节壳体结构中声波传播特性，对低频减振具有良好优势。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种带有减振功能的水下航行器壳体，其包括内壳、外壳和多个肋板，所述外壳位于所述内壳的外部，多个肋板间隔设置在内壳和外壳之间，肋板的两端分别与内壳及外壳焊接；
还包括多组设置在相邻两个肋板之间的微结构胞元，所述微结构胞元包括第一细杆、第二细杆和质量点，质量点分别与第一细杆和第二细杆的一端相连接，第一细杆和第二细杆远离质量点的一端分别与相邻两个肋板相对的一面固定连接。
在上述技术方案的基础上，优选的，所述微结构胞元沿壳体环形及轴向设置有多个。
在上述技术方案的基础上，优选的，所述内壳、外壳及相邻肋板之间填充有聚氨酯材料。
另一方面，本发明提供了一种壳体减振优化方法，利用了所述的带有减振功能的水下航行器壳体，包括步骤如下：
S1、对壳体结构进行模态仿真分析或测试，分析壳体结构在不同方向的主模态信息，为后续工作开展减振设计提供设计输入；
S2、根据减/隔振理论，以壳体结构的模态振型以及模态频率特性为依据，确定声子晶体微结构的设计固有频率，为微结构胞元的具体参数设计提供设计输入；
S3、根据固有频率设计输入，依据弹簧振子系统的固有频率计算公式，设计合理的细杆及质量点的系统参数，根据壳体空间尺寸限制、质量最小以及部件的加工便利性等条件筛选设计方案；
S4、生成微结构胞元布置方案，根据壳体结构的主模态或者关键模态的振型信息，将微结构胞元布置在振型中壳体结构变形较大的地方。
S5、加工构件，并进行整体组装构成壳体。
在上述技术方案的基础上，优选的，将细杆-质量点组成的微结构胞元等效为弹簧振子系统k-m，根据单自由度系统理论计算系统的固有频率：其中Kj为第一细杆和第二细杆刚度共和，mj为质量点质量，其中j＝1,2，…,表示可以有多组微结构单胞。
进一步，优选的，将微结构胞元视为两个由“悬臂梁+质量点”子系统并联组成，其中悬臂梁视为第一细杆或第二细杆，子系统中的质量点的质量为mj/2,质量点对悬臂梁的作用力Fj＝mjg/2,g为重力加速度，根据材料力学杆的弯曲变形理论，细杆一端承受Fj的作用力，细杆的端部挠度变形为：
式中，l2j是第二细杆的长度，E是杆材料的弹性模量，I2j是第二细杆横截面的惯性矩；
将细杆等效为一个弹簧，则可以借鉴弹簧的刚度定义公式K＝F/Δ，求得第二细杆结构的刚度为：
将微结构胞元等效为两个并联的细杆加质量点的k-m系统，根据并联系统刚度换算关系，可以得到整体的刚度：
Kj＝K1j+K2j
式中，K1j和K2j分别为第一细杆及第二细杆的等效弯曲刚度。
更进一步，优选的，根据结构振动理论，当激励频率在结构固有频率附近时，结构将发生共振，结构振动将产生剧烈振动，振动能量非常高，通过控制微结构的共振频率，实现局域共振耗散振动能量，减小主体结构的振动，并且可以实现一定的禁带特性，阻断结构部分频段波的传播，实现良好的减振降噪。
优选的，壳体中可以根据调控频率段需求，设计多组k-m系统微结构胞元。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明采用的细杆-质量点方式，可以进行多参数优化设计，质量可调节，且布置灵活。可以实现在较小的质量代价下，人为有针对性的调节壳体结构中波传播特性，对低频减振具有良好优势，小尺寸微结构设计控制大波长的低频弹性波。其中，低频控制主要体现在微结构的固有频率设计，可以通过合理的胞元刚度设计实现；
2、聚氨酯材料自身具有高阻尼特性，可以吸收壳体振动能量，降低壳体振动水平；
3、聚氨酯材料包裹微结构胞元，形成新的等效声子晶体结构，其中，聚氨酯、第一细杆和第二细杆均为系统提供刚度特性，而质量点则提供质量效应，组成的声子晶体结构具有减振功能，可以降低壳体的振动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的带有减振功能的水下航行器壳体的平面结构示意图；
图2为本发明公开的微结构胞元在壳体环形布置平面结构示意图；
图3为本发明公开的微结构胞元在壳体内的轴向布置平面结构示意图；
图4为本发明公开的微结构胞元结构示意图；
图5为本发明公开的微结构胞元结构边界等效示意图；
图6为本发明公开的微结构胞元子系统结构；
图7为本发明公开的悬臂梁受力示意图；
附图标记：
1、内壳；2、外壳；3、肋板；4、聚氨酯材料；5、微结构胞元；51、第一细杆；52、第二细杆；53、质量点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种带有减振功能的水下航行器壳体，包括内壳、外壳和多个肋板，多个肋板间隔设置在内壳和外壳之间，肋板的两端分别与内壳及外壳焊接。
在本实施例中，内壳、外壳和多个肋板均为金属材质，且具备一定承压厚度。航行器下潜较深的环境下，外壳受外部的流体静压力作用，产生弯曲变形，由于变形协调条件，驱使肋板以及内壳产生弯曲变形，从而实现内壳、多个肋板及外壳组成的整体共同承受外部流体静压力。
由于内壳、肋骨以及外壳均参与了承压，相比传统环肋圆柱壳结构，在同等承载能力条件下(假设壳体内直径也相同)，双层内壳体的内壳厚、外壳厚以及肋板厚均可以大幅减小，并可以实现减重优势。
为了实现水下航行器壳体的降噪减振效果，参照附图1和3所示，本实施例通过在相邻两个肋板之间设置多组微结构胞元，具体的，微结构胞元包括第一细杆、第二细杆和质量点，质量点分别与第一细杆和第二细杆的一端相连接，第一细杆和第二细杆远离质量点的一端分别与相邻两个肋板相对的一面固定连接。在本实施例中，第一细杆和第二细杆可以理解为刚性杆材，身子晶体可以为至少一种具有弹性性能的复合材料。当内壳、外壳接收外部振动时，可以通过肋板分别向第一细杆和第二细杆传递，第一细杆和第二细杆将震动势能传递到声子晶体质量点上，上述第一细杆、第二细杆及质量点构成的微结构胞元产生共振，实现局域共振耗散振动能量，并且可以实现一定的禁带特性，阻断壳体结构部分频段波的传播，实现良好的减振降噪。
在本实施例中，参照附图2所示，微结构胞元沿壳体环形及轴向设置有多个，由此设置，可以根据调控频率段需求，来在壳体中环线及轴向布置多个微结构胞元，即通过确定壳体结构需要控制的振动频率段范围，来确定微结构胞元设计的固有频率，从而在壳体不同振动频率段适配不同参数的微结构胞元。
作为一些较佳实施方式，内壳、外壳及相邻肋板之间填充有聚氨酯材料。聚氨酯材料自身具有高阻尼特性，可以吸收壳体振动能量，降低壳体振动水平。
本发明还提供了一种壳体减振优化方法，包括如下步骤：
S1、对壳体结构进行模态仿真分析或测试，分析壳体结构在不同方向的主模态信息，为后续工作开展减振设计提供设计输入；其中，主模态信息包含该阶模态下壳体结构的模态频率和模态振型等。
在本实施例中，对结构模态分析后，进行振型归一化处理，可以得到每个方向上的主振型，即“主模态”；根据振动理论中的模态开展法原理，可以认为壳体结构的振动响应可以由许多阶模态振型的线性叠加得到。那么，对于结构振动，可以认为是由一系列的模态振动响应叠加而成的，其中在分析某一方向的振动时，主模态的贡献会相对较大一些。在减振问题中，如果控制住了某一方向的主模态振动响应，那么结构的振动也会明显的改善。
S2、根据减/隔振理论，以壳体结构的模态振型以及模态频率特性为依据，确定声子晶体微结构的设计固有频率，为微结构胞元的具体参数设计提供设计输入；
简单来说，在圆柱坐标系下，假设壳体结构在圆周方向的主模态信息为第3阶模态，模态频率为50hz，那么针对壳体结构圆周方向的减振设计时，就以50Hz作为微结构胞元的固有频率，反推设计微结构的参数(包含细杆长度，直径以及质量点的质量等)
S3、根据固有频率设计输入，依据弹簧振子系统的固有频率计算公式(尤其是不同方向上的主模态信息)，设计合理的细杆及质量点的系统参数，根据壳体空间尺寸限制、质量最小以及部件的加工便利性等条件筛选设计方案；
S4、生成微结构胞元布置方案，根据壳体结构的主模态或者关键模态的振型信息，将微结构胞元布置在振型中壳体结构变形较大的地方。
S5、加工构件，并进行整体组装构成壳体。
以下示出了微结构胞元参数设计优化过程。
选取结构中典型的微结构胞元进行分析，如图4所示为微结构胞元结构示意图。胞元结构参数包含左侧细杆长度l1j，右侧细杆长度l2j，以及质量点质量mj，其中，j＝1,2，……，表示可以有多组微结构单胞。
左右两侧的细杆端部都焊接在壳体的肋板上，肋板相比细杆而言是强结构，可以看做是硬边界，因此将微结构胞元的边界条件等效为两侧固支，如图5所示为微结构胞元结构边界等效。
进一步，可以将微结构胞元看做是两个由“悬臂梁+质量点”子系统并联组成的，“悬臂梁+质量点”子系统结构如图6所示，子系统中的质量点的质量为mj/2。
如图7所示为悬臂梁受力图，质量点对细杆的作用可以用力Fj替换，则可以将子系统看做经典的悬臂梁弯曲变形问题,Fj＝mjg/2，g是重力加速度。
对悬臂梁结构而言，根据材料力学杆的弯曲变形理论，一端承受Fj的作用力，杆的端部挠度变形为：
式中，l2j是杆的长度，E是杆材料的弹性模量。I2j是杆横截面的惯性矩，与截面形状有关。
将杆等效为一个弹簧，则可以借鉴弹簧的刚度定义公式K＝F/Δ，求得杆结构的刚度为：
对于肋骨间左右两侧均有细杆的微结构，可以其等效为两个并联的悬臂梁加质量点的k-m系统，根据并联系统刚度换算关系，可以得到整体的刚度：
Kj＝K1j+K2j
式中，K1j和K2j分别为左右两侧悬臂梁的等效弯曲刚度。
对细杆-质量点组成的等效弹簧振子(k-m)系统，可以根据单自由度系统理论计算系统的固有频率：
根据结构振动理论，当激励频率在结构固有频率附近时，结构将发生共振，结构振动将产生剧烈振动，振动能量非常高。局域共振型声子晶体理论就是基于共振理论建立的，通过人为控制(设计)微结构的共振频率，实现局域共振耗散振动能量，从而减小壳体主体结构的振动，并且可以实现一定的禁带特性，阻断结构部分频段波的传播，从而实现良好的减振降噪效果。
1)、当壳体结构受到外部激励(可能是与之相连的机械设备引起)时，若激励频率与壳体结构的某一阶模态频率相吻合(或以模态频率为中心的一段频段内)，则壳体会发生共振现象，壳体将发生剧烈振动，结构中的振动能量非常高；
2)、声子晶体微结构减振。通过设置声子晶体系统的结构参数，是的微结构的特征频率与壳体结构的模态频率(发生共振的这一阶)相吻合或相近时，受壳体振动激发，壳体结构中的多个微结构胞元将发生共振，通过多个(或组)微结构的共振，消耗总体的振动能量，从而减小壳体结构的振动能量，使得壳体结构中该频率(即壳体与微结构的共振频率)下的波不能在壳体结构中有效传递，从而形成一定的禁带特性，实现良好的减振降噪效果。
微结构胞元的空间分布，可以结合壳体结构的模态振型信息布置，比如将微结构胞元布置在壳体主模态(或重要模态)振型的变形较大的地方。
本发明采用的细杆-质量点方式，可以进行多参数优化设计，质量可调节，且布置灵活。可以实现在较小的质量代价下，人为有针对性的调节壳体结构中波传播特性，对低频减振具有良好优势，小尺寸微结构设计控制大波长的低频弹性波。其中，低频控制主要体现在微结构的固有频率设计，可以通过合理的胞元刚度设计实现。
作为一些实施例而言，聚氨酯材料包裹微结构胞元，形成新的等效声子晶体结构，其中，聚氨酯、第一细杆和第二细杆均为系统提供刚度特性，而质量点则提供质量效应，组成的声子晶体结构具有减振功能，可以降低壳体的振动。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带有减振功能的水下航行器壳体，其包括内壳、外壳和多个肋板，多个肋板间隔设置在内壳和外壳之间，肋板的两端分别与内壳及外壳焊接；
其特征在于，还包括多组设置在相邻两个肋板之间的微结构胞元，所述微结构胞元包括第一细杆、第二细杆和质量点，质量点分别与第一细杆和第二细杆的一端相连接，第一细杆和第二细杆远离质量点的一端分别与相邻两个肋板相对的一面固定连接。
2.如权利要求1所述的带有减振功能的水下航行器壳体，其特征在于：所述微结构胞元沿壳体环形及轴向设置有多个。
3.如权利要求1所述的带有减振功能的水下航行器壳体，其特征在于：所述内壳、外壳及相邻肋板之间填充有聚氨酯材料。
4.一种壳体减振优化方法，利用了如权利要求1至3任一项所述的带有减振功能的水下航行器壳体，其特征在于，包括步骤如下：
S1、对壳体结构进行模态仿真分析或测试，分析壳体结构在不同方向的主模态信息，为后续工作开展减振设计提供设计输入；
S2、根据减/隔振理论，以壳体结构的模态振型以及模态频率特性为依据，确定声子晶体微结构的设计固有频率，为微结构胞元的具体参数设计提供设计输入；
S3、根据固有频率设计输入，依据弹簧振子系统的固有频率计算公式，设计合理的细杆及质量点的系统参数，根据壳体空间尺寸限制、质量最小以及部件的加工便利性等条件筛选设计方案；
S4、生成微结构胞元布置方案，根据壳体结构的主模态或者关键模态的振型信息，将微结构胞元布置在振型中壳体结构变形较大的地方。
S5、加工构件，并进行整体组装构成壳体。
5.如权利要求4所述的壳体减振优化方法，其特征在于：将细杆-质量点组成的微结构胞元等效为弹簧振子系统k-m，根据单自由度系统理论计算系统的固有频率：其中Kj为第一细杆和第二细杆刚度共和，mj为质量点质量，其中j＝1,2，…,表示可以有多组微结构单胞。
6.如权利要求5所述的壳体减振优化方法，其特征在于：将微结构胞元视为两个由“悬臂梁+质量点”子系统并联组成，其中悬臂梁视为第一细杆或第二细杆，子系统中的质量点的质量为mj/2,质量点对悬臂梁的作用力Fj＝mjg/2,其中，g为重力加速度，根据材料力学杆的弯曲变形理论，细杆一端承受Fj的作用力，细杆的端部挠度变形为：
式中，l2j是第二细杆的长度，E是杆材料的弹性模量，I2j是第二细杆横截面的惯性矩；
将细杆等效为一个弹簧，则可以借鉴弹簧的刚度定义公式K＝F/Δ，求得杆结构的刚度为：
将微结构胞元等效为两个并联的细杆加质量点的k-m系统，根据并联系统刚度换算关系，可以得到整体的刚度：
Kj＝K1j+K2j
式中，K1j和K2j分别为第一细杆及第二细杆的等效弯曲刚度。
7.如权利要求6所述的壳体减振优化方法，其特征在于：根据结构振动理论，当激励频率在结构固有频率附近时，结构将发生共振，结构振动将产生剧烈振动，振动能量非常高，通过控制微结构的共振频率，实现局域共振耗散振动能量，减小主体结构的振动，并且可以实现一定的禁带特性，阻断结构部分频段波的传播，实现良好的减振降噪。
8.如权利要求5所述的带有减振功能的水下航行器壳体，其特征在于：壳体中可以根据调控频率段需求，设计多组声子晶体微结构胞元，布置在夹层空间内，从而实现对多个频段的振动控制。
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