CN111985135B - 一种承载隔振一体化的板壳超结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种承载隔振一体化的板壳超结构及其设计方法，属于板壳隔振技术领域。包括板壳和若干微结构组元；微结构组元为等截面块状结构，其截面轮廓线由底边和两条类反正弦函数曲线组成，两条类反正弦函数曲线的交点形成喙尖；微结构组元的底面与板壳连接；若干微结构组元周期性排布组成阵列，分隔振源和被保护对象。当振源激发的弹性波沿板壳从任意方向传播至阵列周围时，微结构组元在弹性波影响下发生弯曲和扭转振动，微结构会对板壳产生力和力矩作用，从而抑制板壳中弹性波的传播，实现了板壳中高频段任意方向入射弹性波的隔离。结构简单，加工方便，能同时对被保护对象和振源进行隔离，兼具良好的承载和隔振能力。
Description
技术领域
本发明属于板壳隔振技术领域，具体涉及一种承载隔振一体化的板壳超结构及其设计方法。
背景技术
板壳结构在航空航天、土木、车辆、船舶等领域广泛用于固定各种仪器和设备。在实际工程中，一些设备运行过程中会产生冲击和振动，这些冲击和振动会在板壳中激起弹性波，弹性波在板中传播至其他设备处，引起其他设备失效或者破坏。因此，对板壳结构中特定区域的振动隔离是一个重要的问题。
现有隔振技术根据隔振装置是否需要外部供能分为被动隔振(不需要外部供能)和主动隔振(需要外部供能)。被动隔振指对被保护对象设计弹簧阻尼隔振器，吸收从振源传来的能量，减小被保护对象的振动；主动隔振技术利用主动控制策略，通过主动调整刚度、阻尼等参数使隔振器具有宽频隔振特性。
然而现有隔振器有如下缺点：1)现有隔振器其体积大，附加质量大，不利于隔振器小型化，轻型化；2)现有隔振器阻尼材料多为橡胶，而橡胶材料杨氏模量比304钢等金属材料等低4到5个数量级，造成阻尼隔振器刚度低，变形大，承载能力低；3)现有阻尼隔振器的结构复杂，与承载结构(由钢、铝等金属加工而成)材料不同，隔振结构与承载结构分离的设计造成一体化加工难度大；4)橡胶在机械应力、光、热等影响下，会发生老化，产生龟裂、软化、发粘等现象，影响阻尼隔振器的隔振效果；5)现有隔振器的几何参数、弹性刚度、阻尼特性等一旦设计好就无法改变，当被保护对象发生改变，整个隔振器需要重新设计，使用成本高。
发明内容
为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种承载隔振一体化的板壳超结构及其设计方法，结构简单，加工方便，能同时对被保护对象和振源进行隔离，兼具良好的承载和隔振能力。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种承载隔振一体化的板壳超结构，包括板壳和若干微结构组元；微结构组元为等截面块状结构，其截面轮廓线由底边和两条类反正弦函数曲线组成，两条类反正弦函数曲线的交点形成喙尖；微结构组元的底面与板壳连接；若干微结构组元周期性排布组成阵列分隔振源和被保护对象。
优选地，板壳与微结构组元的材质相同且一体成型。
优选地，阵列到振源或被保护对象的距离大于振源弹性波的波长。
优选地，微结构组元的喙尖背向振源。
优选地，微结构组元截面中两条类反正弦函数曲线的表达式为：
其中，a为微结构组元底边中点到喙尖水平距离，取值为1/2～1振源弹性波的波长；b为微结构组元的高度，取值为1/2～1振源弹性波的波长；m为大于零的常数，ε为微结构组元底边长度t的函数(ε＝t/am)，s为定义域为[0,a]的自变量，t取值为1/4～1/2振源弹性波的波长。
优选地，阵列形成若干个不连通区域，振源和被保护对象分别设在不连通区域内。
本发明公开了上述承载隔振一体化的板壳超结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：确定需要隔离的振源的振动频率f；
步骤2：建立包括板壳、微结构组元和反射波吸收层的板壳超结构有限元模型；
步骤3：用三维实体单元对步骤2建立的板壳超结构有限元模型进行模拟；
步骤4：在振源处施加频率为f的入射角不同的弯曲波；
步骤5：对阵列中相邻的微结构组元的间隔H和不同入射角进行扫描，计算不同间隔H、不同入射方向的透射率；
步骤6：根据步骤5得到的透射率计算不同间隔H对应的弯曲波的平均透射率，并绘制间隔-平均透射率关系曲线；
步骤7：在步骤6得到的间隔-平均透射率关系曲线中的低谷区域选择间隔的整数值作为阵列中微结构组元的排列间隔H，完成承载隔振一体化的板壳超结构的设计。
优选地，步骤1中，板壳超结构有限元模型是根据板壳和微结构组元的材料密度、杨氏模量和泊松比建立的。
优选地，步骤1中，建立板壳超结构有限元模型时，在一个微结构组元两侧H/2处添加周期性边界条件。
优选地，步骤7中，在间隔-平均透射率关系曲线中的低谷区域的中部选择间隔的整数值作为阵列中微结构组元的排列间隔H。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种承载隔振一体化的板壳超结构，通过若干微结构组元组成的周期性阵列结构分隔振源和被保护对象，当振源激发的弹性波沿板壳从任意方向传播至周期性阵列周围时，微结构组元在弹性波影响下发生弯曲和扭转振动，根据达朗贝尔原理，微结构会对板壳产生力和力矩作用，从而抑制板壳中弹性波的传播，实现了板壳中高频段任意方向入射弹性波的隔离。阵列保护区根据具体受保护设备进行调整，通过调整阵列微结构组元个数和包络面积，微结构组元形成的阵列可对多个对象进行保护，对多个振源进行隔离，且能同时对被保护对象和振源进行隔离，能够适用于各种结构，应用场合广泛。减小设计成本。微结构组元为等截面块状结构，其体积小，质量轻，且周期性阵列中组元排列间隔大，整体结构不影响板壳上其他设备的分布，不增加过多额外载荷；微结构组元采用与承载结构相同的非阻尼材料，刚度高、不产生大变形、使用寿命长等特点，避免了橡胶等现有阻尼材料带来的弊端；微结构组元直接附加在板壳上，其结构简单，加工方便、强度高、可靠性高，而且相比于钻孔等隔振形式，附加微结构组元阵列的板壳强度不受影响，同时兼具承载和隔振能力。
进一步地，微结构组元采用与板壳相同的材料且一体成型，加工简单、强度高、可靠性高。
进一步地，阵列形成若干个不连通区域，振源和被保护对象分别设在不连通区域内，能够起到全方位的隔振作用，隔振效果好。
进一步地，阵列到振源/被保护对象的距离大于波长，保证有足够空间放置振源和被保护对象，同时减少穿透阵列的弹性波，提高隔振效果。
进一步地，组元喙尖背向振源(朝向被保护对象)，能够进一步降低设计频率附近被保护对象的振动幅值。
本发明公开的上述承载隔振一体化的板壳超结构的设计方法，通过有限单元法对微结构组元阵列和板壳进行设计和模拟。在对微结构组元及其阵列的设计、计算和优化时采用参数化建模方法，只需要对设计参数的进行扫描，就能得到不同几何尺寸、不同材料的模拟结果。
进一步地，建立板壳超结构有限元模型时，在一个微结构组元对应板壳结构的两侧添加周期性边界条件，实现用一个微结构组元及其对应板壳结构模拟整个隔振承载一体化板壳超结构的功能，大大提高计算效率。在对微结构组元阵列组元间隔设计时，以各个角度平均透射率为衡量指标，提高微结构组元阵列对各个方向入射弯曲波的隔离能力。
进一步地，以间隔-平均透射率关系曲线中的低谷区域确定间隔值时，在低谷区域的中部进行选择，保证选取的数值两侧分别留有余量，降低实际应用中加工误差和工作频率变化等因素的影响。
附图说明
图1为本发明的微结构组元的整体结构示意图；
图2为本发明的微结构组元的侧视示意图；
图3为本发明的微结构组元周期性排布阵列的结构示意图；
图4为本发明的微结构组元直线阵列排布的结构示意图；
图5为本发明的微结构组元直线阵列超结构对不同角度入射波的平均透射率曲线图；
图6为四边形阵列超结构外部作用6kHz点源的幅值场分布图；
图7为四边形阵列超结构内部作用6kHz点源的幅值场分布图；
图8为双圆形阵列超结构内部作用6kHz点源的幅值场分布图；
图9为双圆形阵列超结构受保护区域中心点相对位移幅值的频响曲线图；
图10为不同喙尖朝向、双圆形阵列超结构受保护区域中心点相对位移幅值的频响曲线图。
图中：1-板壳，2-微结构组元，3-阵列，4-振源，5-被保护对象。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
本发明的承载隔振一体化的板壳超结构，包括板壳1和若干微结构组元2；微结构组元2为等截面块状结构，其截面轮廓线由一条底边和两条类反正弦函数曲线组成，两条类反正弦函数曲线的交点形成喙尖；微结构组元2的底面与板壳1连接，优选地，板壳1与微结构组元2的材质相同，可以采用3D打印一体成型。若干微结构组元2周期性排布组成阵列3，分隔振源4和被保护对象5。
板壳1如图4所示，其长度、宽度和厚度分别为L、W和h，材料由工况决定。
微结构组元2如图1、图2所示，厚度为H0，取1/15至1/10波长。截面轮廓由两条类反正弦函数曲线和一条底边包围组成，类反正弦函数曲线点的横纵坐标由公式(1)给出，
x＝s±ε(a-s)m
其中，a表示微结构组元底边中点到喙尖水平距离，取1/2至1倍波长；b表示微结构组元高度，取1/2至1倍波长；m为大于零的常数；ε为微结构组元底边长度t的函数(ε＝t/am)，t取值为1/4至1/2波长；s为自变量，定义域为[0,a]。通过弹性波波长来确定组元结构参数，使设计具有广泛的适应性；以上述方法确定的组元2能够对弹性的传播产生抑制作用，为后续对阵列3中H的确定打下基础。
如图3、4，微结构组元2以H为间隔排列成直线阵列，喙尖朝向被保护对象5，微结构组元2与板壳1采用3D打印一体成形或胶接等方式进行连接；微结构组元2组成的阵列3将板壳1分割成两个及两个以上区域，包括振源4放置区域和被保护对象5放置区域，微结构组元2的个数及阵列3形状以能分隔振源4和被保护对象5为准。如图5，圆形阵列排列间隔以两个微结构组元2底面中心点之间的距离为准。当振源4产生振动激发弹性波后，弹性波传播到微结构组元2组成的阵列3处，引起微结构组元2产生运动，在惯性作用下微结构组元2会对板壳1施加力和力矩来抵抗这种运动，从而削减弹性波，实现振动隔离。阵列3到被保护对象/振源的距离大于波长，而上述设计参数H通过设计方法确定。
下面以具体实施例对本发明的承载隔振一体化的板壳超结构的结构和设计方法进行解释说明：
如图6、7，四边形阵列超结构的板壳1长度、宽度和厚度分别为L＝600mm，W＝600mm，h＝0.95mm；如图8，双圆形阵列超结构的板壳1长度、宽度和厚度分别为L＝800mm，W＝600mm，h＝0.95mm；微结构组元2与板壳1一体成型，材料为304钢，其密度、杨氏模量和泊松比分别为7900kg/m3，200GPa，0.3；频率为6kHz的弯曲波在板壳1中的波长为38.8mm，取微结构组元2的几何参数分别为a＝20mm，b＝20mm，H0＝3mm，t＝10mm，m＝1；
其设计方法：
采用COMSOL Multiphysics软件建立有限元模型，模型包括板壳1、微结构组元2和反射波吸收层。图1所示微结构组元2坐标系与软件默认坐标系重合；板壳1长度为L、宽度为H、厚度为h；微结构组元2几何尺寸如上所述；反射波吸收层位于板壳1两端，长度为板壳1端面向内取50mm(大于波长)，宽度和厚度分别为H和h；微结构组元2位于板壳1上表面中心；反射波吸收层位于板壳1；板壳1和微结构组元2采用自由三角形网格和映射网格组合剖分，反射波吸收层采用扫掠网格剖分；赋予整个模型材料属性，包括密度、杨氏模量和泊松比；设置频域分析研究，并在板壳1垂直于y方向的面上设置周期性边界条件；采用COMSOLMultiphysics软件，板壳1在振源4处生成幅值为1N/m2、频率为6kHz的入射方向不同的弯曲波；添加对于微结构组元阵列3结构参数H的参数化扫描，计算不同H下各个入射角弯曲波的透射率；用不同参数H下各个入射角弯曲波透射率计算不同参数H下弯曲波的平均透射率，如图5所示；从平均透射率低谷中选择中间的整数H＝25mm作为微结构组元周期性排列的间隙优选结构参数。至此，微结构组元阵列参数设计完成。
在COMSOL Multiphysics中对设计好的板壳超结构进行模拟，将微结构组元2以间距H＝25mm排列成四边形和圆形等不同形状的阵列形成封闭区域，将振源4和受保护对象5隔开，如图6、7、8所示。板壳1几何尺寸如上所述，长宽厚分别为L＝600mm，W＝600mm，h＝0.95mm；板壳1四周为反射波吸收层，边界向内50mm。在振源4处施加幅值为1N/m2、频率为6kHz的微振动简谐力，计算位移幅值场，其分布情况如下：
图6为微结构组元四边形阵列超结构外部作用6kHz点源的幅值场分布图，点源到阵列的最小距离为100mm，由图中可以看出，当振源4激发的弹性波沿板壳1传播到由微结构组元2构成的周期性阵列超结构时，弹性波被微结构组元2组成的阵列3阻隔而无法进入被保护对象5所在的区域。图7为微结构组元四边形阵列超结构内部作用6kHz点源的幅值场分布图，振源到阵列的最短距离为68mm，由图中可以看出当振源4激发的弹性波沿板壳传播到微结构组元阵列3时，弹性波被限制在隔离区域，无法进入被保护对象5所在的区域。
图8为微结构组元双圆形阵列超结构内部作用6kHz点源的幅值场分布图，其中振源到阵列的最短距离为42.7mm，由图中可以看出，振源4激发的弹性波被微结构组元2组成的阵列3限制在隔离区域内。采用COMSOL Multiphysics软件，改变图8中振源4的振动频率，计算超结构中心点相对位移幅值与振源频率的关系，其结果如图9所示，可以发现有微结构组元阵列的相对位移幅值远小于无微结构组元阵列的情况。采用COMSOL Multiphysics软件，改变图8中振源周围组元2的喙尖朝向，计算超结构中心点相对位移幅值与频率的关系，其结果如图10所示，可以发现喙尖朝向在设计频率6kHz附近并无明显区别，但在3到5.5kHz范围内，喙尖背向振源4，朝向被保护对象5的形式显著降低了中心点的振动幅值，使被保护对象5在振源频率上升到设计频率的过程中得到保护。
通过设计微结构组元2的结构参数和阵列3中微结构组元2的间隙H，实现了板壳1中6.0到9.5kHz宽频带内任意方向入射弹性波的隔离，有超结构的相对位移幅值远小于无超结构的情况。微结构组元2按设计间隔分别排列成四边形阵列、圆形阵列等，实现对被保护对象5和振源4的隔离，阵列3形状可以根据实际被保护对象5和振源4的数量进行调整，应用场合广泛，降低设计成本。所用微结构组元2的最大几何尺寸为20mm，体积小、质量轻，且周期性阵列中组元排列间隔大，单元厚度仅为3mm，实现了隔振结构的小型化、轻量化；微结构组元2与板壳1材料均可以采用304钢，具有刚度高、不产生大变形、使用寿命长等特点，且微结构组元2直接附加在板壳1上，整个隔振承载超结构可以采用3D打印等一体成型技术制造。此为，本发明中关于阵列3的组元间隙的设计方法计算效率高，降低了设计成本；通过平均透射率对微结构组元阵列3组元间隔进行设计，提高了超结构对各个方向弯曲波的隔离能力。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的***所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种承载隔振一体化的板壳超结构，其特征在于，包括板壳(1)和若干微结构组元(2)；微结构组元(2)为等截面块状结构，其截面轮廓线由底边和两条类反正弦函数曲线组成，两条类反正弦函数曲线的交点形成喙尖；微结构组元(2)的底面与板壳(1)连接；若干微结构组元(2)周期性排布组成阵列(3)分隔振源(4)和被保护对象(5)；板壳(1)与微结构组元(2)的材质相同且一体成型；阵列(3)到振源(4)或被保护对象(5)的距离大于振源(4)弹性波的波长；微结构组元(2)的喙尖背向振源(4)；阵列(3)形成若干个不连通区域，振源(4)和被保护对象(5)分别设在不连通区域内；
微结构组元(2)截面中两条类反正弦函数曲线的表达式为：
其中，a为微结构组元(2)底边中点到喙尖水平距离，取值为1/2～1振源(4)弹性波的波长；b为微结构组元(2)的高度，取值为1/2～1振源(4)弹性波的波长；m为大于零的常数，ε为微结构组元(2)底边长度t的函数(ε＝t/am)，s为定义域为[0,a]的自变量，t取值为1/4～1/2振源(4)弹性波的波长。
2.权利要求1所述承载隔振一体化的板壳超结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定需要隔离的振源(4)的振动频率f；
步骤2：建立包括板壳(1)、微结构组元(2)和反射波吸收层的板壳超结构有限元模型；
步骤3：用三维实体单元对步骤2建立的板壳超结构有限元模型进行模拟；
步骤4：在振源(4)处施加频率为f的入射角不同的弯曲波；
步骤5：对阵列(3)中相邻的微结构组元(2)的间隔H和不同入射角进行扫描，计算不同间隔H、不同入射方向的透射率；
步骤6：根据步骤5得到的透射率计算不同间隔H对应的弯曲波的平均透射率，并绘制间隔-平均透射率关系曲线；
步骤7：在步骤6得到的间隔-平均透射率关系曲线中的低谷区域选择间隔的整数值作为阵列(3)中微结构组元(2)的排列间隔H，完成承载隔振一体化的板壳超结构的设计。
3.根据权利要求2所述的承载隔振一体化的板壳超结构的设计方法，其特征在于，步骤1中，板壳超结构有限元模型是根据板壳(1)和微结构组元(2)的材料密度、杨氏模量和泊松比建立的。
4.根据权利要求2所述的承载隔振一体化的板壳超结构的设计方法，其特征在于，步骤1中，建立板壳超结构有限元模型时，在一个微结构组元(2)两侧H/2处添加周期性边界条件。
5.根据权利要求2所述的承载隔振一体化的板壳超结构的设计方法，其特征在于，步骤7中，在间隔-平均透射率关系曲线中的低谷区域的中部选择间隔的整数值作为阵列(3)中微结构组元(2)的排列间隔H。
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Citations (3)
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 冯岩 ; 杜国君 ; 马玉娇 ; 高崇一 ; .周期性弧形凸起凹凸板等效刚度的研究.机械强度.2020,(01),全文. * |
Also Published As
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