CN116696964A - 一种轻量化宽带减振型支撑结构 - Google Patents

一种轻量化宽带减振型支撑结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轻量化宽带减振型支撑结构,包括底板、顶板和支撑件,顶板通过支撑件支撑于底板上方,支撑件包括支撑块和微约束阻尼层,微约束阻尼层设于支撑块顶面,支撑块的两侧侧壁均设有若干梯度变化的内嵌式声学黑洞,微约束阻尼层包括若干低模量阻尼层和若干高模量阻尼层,低模量阻尼层和高模量阻尼层交替层叠。本发明的优点在于:通过微约束阻尼层和内嵌式声学黑洞的结合,在提升支撑结构的阻尼减振性能的同时保持结构的支撑刚度,最终实现轻量化宽带减振。

Description

一种轻量化宽带减振型支撑结构
技术领域
本发明涉及振动噪声控制技术领域,具体涉及一种轻量化宽带减振型支撑结构。
背景技术
振动噪声是轨道交通、航空航天和船舶舰艇等重大装备面临的关键共性问题。要实现有效的减振降噪,在路径上控制振动和噪声的传播十分重要。以轨道交通为例,列车的地板通常由车体外地板、支撑木骨、车体内地板等组成,支撑木骨作为内、外地板之间的连接在实现承载功能的同时,无形中也成了振动和噪声的主要传播路径。这种在双层板之间存在的固定连接在声学上称之为“声桥”,顾名思义振动和噪声很容易通过支撑木骨在外地板和内地板之间传播,增加了外部振动和噪声向车内的传递。
阻尼材料是常见的减振材料,广泛应用于装备的振动和噪声控制。但是阻尼材料本身是非常软的,无法直接作为支撑结构,并且阻尼材料的有效减振频率通常在中高频,很难实现宽带减振降噪。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供一种轻量化宽带减振型支撑结构,通过微约束阻尼层和内嵌式声学黑洞的结合,在提升支撑结构的阻尼减振性能的同时保持结构的支撑刚度,最终实现轻量化宽带减振。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
一种轻量化宽带减振型支撑结构,包括底板、顶板和支撑件,顶板通过支撑件支撑于底板上方,支撑件包括支撑块和微约束阻尼层,微约束阻尼层设于支撑块顶面,支撑块的两侧侧壁均设有若干梯度变化的内嵌式声学黑洞,内嵌式声学黑洞的中心区域设有阻尼贴片,微约束阻尼层包括若干低模量阻尼层和若干高模量阻尼层,低模量阻尼层和高模量阻尼层交替层叠。
进一步地,低模量阻尼层的材料包括橡胶基体、硫化剂、增塑剂和补强填料。
进一步地,高模量阻尼层的材料包括橡胶基体、硫化剂、结构型填料和补强填料。
进一步地,低模量阻尼层中的橡胶基体为丁腈橡胶、丁基橡胶或硅橡胶。
进一步地,高模量阻尼层中的橡胶基体为丁腈橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸酯橡胶或氟橡胶。
进一步地,低模量阻尼层中的硫化剂含量小于高模量阻尼层中的硫化剂含量。
进一步地,低模量阻尼层中的补强填料含量小于高模量阻尼层中的补强填料含量。
进一步地,补强填料为槽法炭黑或者高耐磨炭黑。
进一步地,低模量阻尼层和高模量阻尼层通过微纳层叠共挤出或者压板挤压的方式交替层叠在一起。
进一步地,微约束阻尼层与支撑块的高度比为1∶3~1∶10。
本发明具有以下优点:
1、通过低模量阻尼层和高模量阻尼层交替层叠形成的微约束阻尼层,在实现拉伸形变耗能的同时,还可实现剪切形变耗能和界面滑移耗能等多种耗能方式,进而提升微约束阻尼层的阻尼减振性能。
2、在保留原有支撑件的承载功能的同时,通过在支撑块两侧侧壁设置若干梯度变化的内嵌式声学黑洞,提升支撑件的低频减振性能,并实现减重。
3、通过微约束阻尼层和内嵌式声学黑洞的结合使用,实现支撑件的轻量化宽带减振,使得支撑件可广泛用于各类双层板结构中,为轨道交通、航空航天和船舶舰艇等重大装备的轻量化减振降噪提供支持。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明中支撑件的结构示意图;
图3为本发明中微约束阻尼层在拉伸形变时的结构状态示意图;
图4为本发明中微约束阻尼层在剪切形变和滑移形变时的结构状态示意图;
图5为本发明中声学黑洞的结构示意图。
图中:1、底板;2、顶板;3、支撑件;31、支撑块;32、微约束阻尼层;321、低模量阻尼层;322、高模量阻尼层;4、内嵌式声学黑洞;5、阻尼贴片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述,但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示,一种轻量化宽带减振型支撑结构,包括底板1、顶板2和支撑件3,顶板2通过支撑件3支撑于底板1上方,支撑件3包括用于对顶板2进行支撑的支撑块31。
在保留原结构的承载功能的前提下,为了降低支撑块31重量的同时使其具有宽带减振性能,在支撑块31的两侧侧壁均设有若干梯度变化的内嵌式声学黑洞4,且在内嵌式声学黑洞4的中心区域设有阻尼贴片5。
具体的,如图2、5所示,阻尼贴片5可选用带铝箔的约束型阻尼贴片或不带铝箔的自由型阻尼贴片,在本实施例中,阻尼贴片5优选为约束型阻尼贴片,其整体厚度为1.2mm,包括厚度为0.2mm的铝箔和厚度为1mm的阻尼材料,通过在声学黑洞的中心区域粘附阻尼贴片5可实现高效减振;内嵌式声学黑洞4的厚度满足h(x)=εxm+h0变化公式,式中h(x)为声学黑洞距离原点在x位置处的结构厚度,ε为常数,m为幂指数且m≥2,h0为声学黑洞在原点处的截断厚度,通过调整ε、m和h0的值即可设计出不同的声学黑洞,进而通过在支撑块31的侧壁上设置若干不同的声学黑洞,可拓展支撑块31低频减振的频带范围,再结合阻尼贴片5的使用,最终实现支撑块31的高性能低频减振。
为了进一步提升支撑件3整体的减振性能和减振带宽,在支撑块31顶面还设有微约束阻尼层32。
具体的,如图2所示,微约束阻尼层32包括若干低模量阻尼层321和若干高模量阻尼层322。低模量阻尼层321的材料包括橡胶基体、硫化剂、增塑剂和补强填料,其中橡胶基体优选为丁腈橡胶、丁基橡胶或硅橡胶,硫化剂优选为硫磺和促进剂DM,增塑剂优选为邻苯二甲酸二辛酯,补强填料优选为槽法炭黑或者高耐磨炭黑;高模量阻尼层322的材料包括橡胶基体、硫化剂、结构型填料和补强填料,其中橡胶基体优选为丁腈橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸酯橡胶或氟橡胶,硫化剂优选为硫磺和促进剂DM,结构型填料优选为碳纳米管,补强填料优选为槽法炭黑或者高耐磨炭黑。
更为具体的,低模量阻尼层321中的硫化剂含量小于高模量阻尼层322中的硫化剂含量,低模量阻尼层321中的补强填料含量也小于高模量阻尼层322中的补强填料含量。即在制备低模量阻尼层321时,通过添加增塑剂用量和减少补强填料用量来降低材料的模量,并通过减少硫化剂的含量来降低材料的交联密度,进而制得低模量的改性橡胶;在制备高模量阻尼层322时,通过添加结构型填料和增加补强填料用量来提升材料的模量,并通过增加硫化剂的含量来提升材料的交联密度,进而制得高模量的改性橡胶。低模量和高模量的改性橡胶的具体制备方法或步骤采用现有合成橡胶的常用合成步骤即可,这里不再详细赘述。
制得低模量的改性橡胶和高模量的改性橡胶后,通过微纳层叠共挤出或者压机挤压的方式将两种橡胶交替层叠在一起,最终便可得到由低模量阻尼层321和高模量阻尼层322交替层叠形成的微约束阻尼层32,使得微约束阻尼层32具备软硬交替的结构特性,相比于普通的阻尼材料,其不仅具备如图3所示的普通阻尼材料的拉伸形变耗能特性,还具有如图4所示的剪切形变耗能、界面滑移耗能等额外的耗能方式,进而实现了阻尼材料的高性能和宽带阻尼减振。
将微约束阻尼层32粘附在支撑块31顶面,进而可进一步提升支撑件3的阻尼减振性能和减振带宽,再结合支撑块31上声学黑洞的设置,最终实现支撑结构的轻量化宽带减振。另外,微约束阻尼层32的总层数为2n,为了保证支撑件3的支撑刚度和微约束阻尼层的减振性能,微约束阻尼层32与支撑块31的高度比优选为1∶3~1∶10,防止支撑块31厚度过小导致其支撑刚度不足,以及微约束阻尼层32过薄导致其性能降低。
通过上述微约束阻尼层32和带声学黑洞的支撑块31构成的支撑件3可广泛用于各类双层板中,为轨道交通、航空航天和船舶舰艇等重大装备的轻量化减振降噪提供支持,比如轨道交通列车底板1中的支撑木骨,可利用原有的材料,通过模压成型或3D打印的方式进行结构的制造并加工出内嵌式声学黑洞4,然后再将微约束阻尼层32粘附在支撑木骨表面,使支撑木骨具备轻量化宽带减振性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种轻量化宽带减振型支撑结构,包括底板(1)、顶板(2)和支撑件(3),顶板(2)通过支撑件(3)支撑于底板(1)上方,其特征在于:支撑件(3)包括支撑块(31)和微约束阻尼层(32),微约束阻尼层(32)设于支撑块(31)顶面,支撑块(31)的两侧侧壁均设有若干梯度变化的内嵌式声学黑洞(4),内嵌式声学黑洞(4)的中心区域设有阻尼贴片(5),微约束阻尼层(32)包括若干低模量阻尼层(321)和若干高模量阻尼层(322),低模量阻尼层(321)和高模量阻尼层(322)交替层叠。
2.根据权利要求1所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:低模量阻尼层(321)的材料包括橡胶基体、硫化剂、增塑剂和补强填料。
3.根据权利要求2所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:高模量阻尼层(322)的材料包括橡胶基体、硫化剂、结构型填料和补强填料。
4.根据权利要求2所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:低模量阻尼层(321)中的橡胶基体为丁腈橡胶、丁基橡胶或硅橡胶。
5.根据权利要求3所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:高模量阻尼层(322)中的橡胶基体为丁腈橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸酯橡胶或氟橡胶。
6.根据权利要求3所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:低模量阻尼层(321)中的硫化剂含量小于高模量阻尼层(322)中的硫化剂含量。
7.根据权利要求3所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:低模量阻尼层(321)中的补强填料含量小于高模量阻尼层(322)中的补强填料含量。
8.根据权利要求7所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:补强填料为槽法炭黑或者高耐磨炭黑。
9.根据权利要求1所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:低模量阻尼层(321)和高模量阻尼层(322)通过微纳层叠共挤出或者压机挤压的方式交替层叠在一起。
10.根据权利要求1所述的轻量化宽带减振型支撑结构,其特征在于:微约束阻尼层(32)与支撑块(31)的高度比为1∶3~1∶10。
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