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在與艦艇聲隱身相關(guān)的三大噪聲源的控制技術(shù)中，船用主動(dòng)力裝置和輔助機(jī)械振動(dòng)噪聲的控制占著重要的地位，因此新型減振材料和新型隔振結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，如船用鋼絲繩隔振器和空氣彈簧等。夾芯復(fù)合材料基座因其具有良好的阻尼特性和結(jié)構(gòu)形式的可設(shè)計(jì)性，近年來也在設(shè)備振動(dòng)控制領(lǐng)域得到了足夠的重視。在基座的隔振設(shè)計(jì)中，一方面，作為隔振器，要求系統(tǒng)的固有頻率很低，通常被動(dòng)隔振裝置在外擾頻率大于固有頻率的2倍時(shí)才能起隔振作用，但是對(duì)低頻外擾，隔振系統(tǒng)的固有頻率很難滿足這一要求；另一方面，基座作為支撐結(jié)構(gòu)，為了保證設(shè)備的安裝精度和支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又要求有足夠的支撐結(jié)構(gòu)剛度，所以在設(shè)計(jì)被動(dòng)隔振系統(tǒng)時(shí)，不可避免地采用折中的辦法，即犧牲一部分的隔振效果，以提高支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有限元分析復(fù)合材料基座的夾芯阻尼材料可以使系統(tǒng)獲得較好的隔振效果，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量僅為鋼材的1/10，所以需要合理設(shè)計(jì)復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)，使基座滿足強(qiáng)度、剛度要求。
文中提出兩種夾芯復(fù)合材料基座設(shè)計(jì)方案。第一種方案：如圖1所示，面板由纖維復(fù)合材料層1、2構(gòu)成，并由結(jié)構(gòu)3支撐，在兩層之間的空腔中填充隔振阻尼材料4，可以選擇各種發(fā)泡隔振材料，如發(fā)泡聚氨酯橡膠，并可以根據(jù)關(guān)心的振動(dòng)頻率來確定材料的厚度和孔隙率。第二種方案：如圖2所示，基座面板由纖維復(fù)合材料層1、2構(gòu)成，并由結(jié)構(gòu)5支撐，在兩層之間的空腔中填充隔振阻尼材料4，支撐結(jié)構(gòu)5可加大基座的彎曲強(qiáng)度和剛度，此方案與方案一比較，具有更好的柔度特性。
復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)的剛度由支撐結(jié)構(gòu)和夾芯材料提供，由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量遠(yuǎn)大于芯材，考慮芯材體積變形很小，因此主要對(duì)基座支撐框架結(jié)構(gòu)的剛度特性進(jìn)行討論。在承受載荷作用時(shí)，基座的力學(xué)性能由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料支撐方向的剛度決定。由于支撐的纖維鋪層層數(shù)和厚度直接影響支撐厚度，因而是影響基座尤其是方案一所示基座剛度的主要因素。此外，鋪層角度對(duì)基座剛度也有影響。沿支撐方向?yàn)閥軸，垂直支撐方向?yàn)閦軸建立坐標(biāo)系。在該坐標(biāo)系原點(diǎn)建立另一個(gè)坐標(biāo)系，其中沿纖維主方向?yàn)?軸，垂直纖維主方向?yàn)?軸。
方案二所示的復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)，在承受載荷作用時(shí)，其變形和應(yīng)力則由支撐結(jié)構(gòu)的彎曲側(cè)向剛度決定。考慮如圖3所示受力狀況下，支撐厚度為h的弧形支撐柱。取中曲面作為坐標(biāo)曲面，R是中曲面的曲率半徑。設(shè)撓度為支撐厚度的同階小量，支撐內(nèi)與中曲面距離z的任一點(diǎn)的徑向坐標(biāo)是r，則該點(diǎn)徑向、環(huán)向和軸向位移u，v，w。
通過分析，改變基座復(fù)合材料面板的鋪層方式，對(duì)基座的靜剛度影響很小。上下復(fù)合材料面板采用90°/0°/90°/0°/90°(與坐標(biāo)系x方向夾角)正交鋪層，垂直支撐采用90°/0°/90°/0°/90°(與坐標(biāo)系z(mì)方向夾角)正交鋪層，其變形云圖和應(yīng)力云圖如圖4、5所示。從圖可知，基座的最大變形為0.151mm，出現(xiàn)在面板中部和支撐頂部，最大應(yīng)力為13.9MPa，出現(xiàn)在支撐與面板連接角隅處，此時(shí)基座框架的靜剛度為8.219MPa/mm。
當(dāng)直支撐采用單向鋪層時(shí)，鋪層角度對(duì)基座力學(xué)性能的影響如表1所示，Ez在θ=0°時(shí)取得極大值。由式(1)可得單向鋪層方向?qū)o剛度影響較大，隨著鋪層角度增大，基座靜剛度減小，但支撐變形顯著增大;在均布面載荷作用下，基座最大應(yīng)力出現(xiàn)在面板和支撐連接的角隅處，而且隨著鋪層角度增大，應(yīng)力增大。從變形云圖上可以看出，當(dāng)鋪層角度增大時(shí)，支撐變形向y正方向傾斜，到45°后又慢慢回復(fù)到均勻變形狀態(tài)，這主要是由于纖維主方向改變，引起剛度矩陣的變化。當(dāng)鋪層角度從45°繼續(xù)增大時(shí)，由于垂向剛度是與鋪層角度的三角函數(shù)有關(guān)，所以對(duì)基座變形影響變小。
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