基于CFRP材料的浮筏隔振系统设计与分析文献综述
2020-04-15 09:40:03
舰艇向着快速化与大型化的不断发展带来了运转设备的高速化以及工程结构的轻薄化，这使得舰艇振动的问题更加突出，舰艇振动可能引起舰艇乘员的生活环境恶化、增大舰艇的水下噪声、以及影响一些精密设备的正常工作等等一系列问题，因此如何对振动加以控制始终是各国学者所关心的问题。浮筏隔振技术是目前一种非常常用的隔振手段，所谓的浮筏系统，是指将多组动力设备弹性或刚性安装在同一个筏架上，再将筏架弹性安装在基座上所组成的一个减振降噪系统，其具有的“质量效应”、“自调谐效应”与“混抵效应”可以提高隔振效率、减少附加重量。
在国外对于浮筏隔振系统已经有几十年的研究历史。1980年Goyder,H.G.D.和 White, R. G. [1-3]第一次提出了关于隔振系统的振动传递功率流的观点。Hanser C H[4]等首先应用子系统导纳综合法建立了船段板式浮筏系统模型，并在此基础上研究了系统的功率流传递特性。Watters，B.G 等[5]将一种电磁式的主动作动装置应用于主动隔振平台中，在 20~100HZ 频率范围内，采用主动控制振动的方式可以将传递到基础的力降低 20dB。Mak. CM等人[6]通过功率流作为评定标准，研究了浮筏隔振系统中主动隔振器在筏架上安装位置对固有频率的影响，并提出了提出了实时测量并自动搜索隔振器的最佳安装位置的算法，Wang Z等人[7]通过四端参数矩阵法建模，研究了周期性结构浮筏隔振系统中的功率传输，并通过优化结构集合参数，增大了隔振系统的工作带宽。SUN Hongling[8]研究了具有弹性基础的单层、双层及浮筏隔振系统的隔振性能，分析不同隔振系统与弹性基础的耦合特性。
我国对于浮筏装置的研究从上世纪80年代才开始。严济宽[9]、华宏星[10]、张华良[11]等对浮筏隔振系统的参数设计和影响隔振效果的因素进行了初步探讨研究，对浮筏隔振系统的设计提供一定的参考指导作用。祝华[12]等建立了浮筏装置的力学模型,并提出了模态阻抗综合法的建模方法。邵汉林等[13]基于信号能量的观点,分析了用振级落差评定浮筏隔振装置多扰动特性和多向隔振特性的原理,提出了能量叠加的评定方法,并用实测数据进行了验证。吴广明[14]釆用多刚体法推导了考虑隔振器刚度，阻尼比及中间质量影响的浮筏系统功率流传递公式。
由于金属材料成本较低，船用隔振系统机械结构多采用刚度大、强度高的金属材料制造而成，常用的有铸铁、铸钢以及铝质合金钢等[15]。然而，这些金属隔振结构重量大、隔振系统附加质量很大；此外，这些金属材料比刚度较低，材料的声阻尼性能较差，对于动力设备中低频振动及噪声传递抑制效果较差，以及对水面及水下舰船隐身性能的提高有较大影响；相对于钢制材料，CFRP材料具有以下几个优点：
（1）碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高的特点，在质量相同的情况下，碳纤维材料承载能力要优于金属材料，同时，高刚度比使得碳纤维材料具有高自振频率，不容易产生共振。（2）复合材料的基体与纤维界面之间有较大的吸收振动能量的能力，致使材料的振动阻尼较高[16]。（3）碳纤维复合材料具有良好的工艺性能，其制造工艺简单多样，成型方式也很多,便于整体成型制造出各种曲面和复杂结构，通常不需要经过复杂的机械加工过程。（4）碳纤维材料的可设计性强，设计者可以通过进行合理的铺层设计使碳纤维复合材料构件取得更优异的性能。
与传统金属材料相比，碳纤维复合材料在浮筏隔振系统的应用方面有更大的优越性，因此如何将碳纤维复合材料与浮筏隔振系统结合起来，探究碳纤维复合材料结构对隔振性能的影响，是当前研究的重点。上世纪八十年代开始，国外学者就对于复合材料层合板的振动稳定性进行了研究，初始研究对象是对称角铺设层合板的运动稳定性，然后发展到对于不同结构、不同边界、不同激励等条件下复合材料层合板振动特性的研究。L.X. Luccioni[17]等人基于经典和一阶剪切变形理论，通过对铺层方案的调整与变化研究了复合材料矩形层合板在不同铺层方案下的自由振动响应，并在此基础上推导出了解析方程。Lim MK[18]则使用Rayleigh-Ritz法分析了复合材料层合结构的振动特性。S. Abrate[19]利用Rayleigh-Ritz法对复合材料矩形层合板在任意线性支支承条件下的固有频率进行了研究，并给出了其多项式的近似函数表达式。华宏星[20]等在Bamp;K测试系统的支持下对复合材料正交各向异性板的固有振动特性进行了研究，根据测试结果总结出了碳纤维板的刚度特性参数，并以此构建出了碳纤维板刚度特征数值模型，漆文凯[21]采用逐点激励单点测试的实验方法对复合材料层合板实验件进行动力响应实验，通过对频响曲线进行模态识别得到层合板的固有频率和模态阻尼，实验结果与有限元仿真结果一致。
目前，国内外对于将碳纤维复合材料运用到隔振系统中已经进行了一些研究，其中对于复合材料基座方面的研究较多，Madhav 等[22]对复合材料合成沉箱基座开展了理论试验对比研究；赵书磊等[23]分别对金属基座和复合材料基座进行了振动传递特性试验分析；杨德庆等[24]针对钢-复合材料的复合基座结构进行了优化设计研究。一系列的研究表明，复合材料基座具有良好的减振效果，而在复合材料筏架方面的研究则相对较少。
本次我的毕业设计题目是“基于 CFRP 材料的浮筏隔振系统设计与分析”，对被动式浮筏隔振系统进行设计。本次毕业设计的主要内容是对CFRP筏架的结构及其铺层方案进行设计；为隔振器及动力设备的安装布置留有足够空间，保证良好的加工和装配性能，并尽量减小浮筏系统重量；同时要合理选择隔振器型号，使隔振系统避开共振频率；采用加速度振级落差作为隔振性能评价指标，设计出能够在规定频段达到要求的隔振效果的CFRP浮筏隔振系统。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}| 2、基本内容和技术方案 基本内容 （1）查阅文献了解浮筏隔振装置的基本原理； （2）根据动力设备特征/接口和隔振系统要求设计浮筏隔振装置具体结构； （3）运用Solidworks等相关CAD软件进行浮筏系统结构设计； （4）完成浮筏隔振系统装配图和零件图的设计； （5）查阅文献了解CFRP的材料特性并完成铺层方案设计； （6）采用隔振理论分析隔振系统效果； （7）采用abaqus等有限元软件结合机械动力学基础对所设计的浮筏隔振装置进行参数化建模和仿真分析计算，并根据结果改进铺层方案； （8）整理资料，完成毕业论文的写作，准备好答辩工作； （9）完成毕业论文的答辩工作。
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| 技术方案 浮筏隔振技术是近几年隔振技术实现的主要平台，对于浮筏隔振而言，被动平置式隔振系统的设计目前比较成熟。本次设计在被动平置式浮筏隔振系统基础上，使用CFRP浮筏筏架替代传统的钢制结构，从而设计出轻质高强，具有良好减振性能的浮筏隔振系统，其技术方案如下： （1）采用隔振理论分析隔振系统效果，利用多刚体法分别对单层、双层、浮筏隔振系统进行动力学建模，并求解系统的频响函数。采用力传递率作为隔振效果评价指标探究对于单层、双层、浮筏隔振系统隔振效果的影响因素； （2）浮筏隔振系统中，筏架一般采用箱梁式结构，当采用碳纤维复合材料替代钢质材料进行筏架的生产制造时，由碳纤维复合材料的成型工艺特点，将筏架分为上、下两层板，中间通过工字型连接件进行连接； （3）对复合材料工字型连接件进行铺层，分别设置等尺寸、等质量、等刚度钢制连接件对照组并利用abaqus进行自由模态分析，探讨复合材料连接件具有的振动特性；通过设置不同的铺层方案并利用abaqus进行自由模态分析探讨不同铺层方案对于工字型连接件固有频率的影响，结合工字型连接件的受力特点确定连接件的铺层方案； （4）通过查阅文献，了解浮筏隔振系统的设计准则。根据隔振设计的基本依据和步骤，通过对激振力，隔振系统总刚度，隔振系统总载荷等的计算，初步确定隔振系统中隔振器的需求，初步确定隔振器位置，再通过对重心偏置造成的隔振器负载变化进行计算，初选隔振器型号。并根据隔振器布局尺寸和接口尺寸，初步设计过渡板、筏架和基础；分别对过渡板与筏架进行自由模态分析，确保共振频率远离动力设备工作频率； （5）利用abaqus对整个浮筏隔振系统进行自由模态分析，在施加载荷、约束后对系统进行谐响应分析，采用振级落差作为评价指标，检查隔振系统是否达到了预期目标。 |
[1]Goyder H G D , White R G . Vibrational power flow from machines into built-up structures, part I: Introduction and approximate analyses of beam and plate-like foundations[J]. Journal of Sound amp; Vibration, 1980, 68(1):59-75.
[2]Goyder H G D , White R G . Vibrational power flow from machines into built-up structures, part II: Wave propagation and power flow in beam-stiffened plates[J]. Journal of Sound amp; Vibration, 1980, 68(1):77-96.
[3]Goyder H G D , White R G . Vibrational power flow from machines into built-up structures, part Ⅲ:Power flow through isolation systems[J].Journal of Sound amp; Vibration,1980,68 (1):97-117.
[4]Pan J , Hansen C H . Total power flow from a vibrating rigid body to a thin panel through multiple elastic mounts[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1992, 92(2):895-907.
[5]Watters B G , Coleman R B , Duckworth G L , et al. A perspective on active machinery isolation[C]// IEEE Conference on Decision amp; Control. IEEE, 1988.
[6]Wang Z, Mak C M. Application of a movable active vibration control system on a floating raft[J]. Journal of Sound amp; Vibration, 2018, 414:233-244.
[7]Wang Z, Mak C M. Optimization of geometrical parameters for periodical structures applied to floating raft systems by genetic algorithms[J]. Applied Acoustics, 2018, 129:108-115.
[8]SUN Hongling.Simplified performance indices and active control force of vibration isolation systems with elastic base[J].Chinese Journal of Acoustics,2018,37(01):69-88.
[9]严济宽,沈密群,尚国清.浮筏装置结构动力参数的选定[J].噪声与振动控制,1995(01):2-9.
[10]华宏星,石银明,瞿祖清,林莉,尚国清.浮筏系统频率响应灵敏度分析[J].中国造船,1999(03):92-97.
[11]张华良,瞿祖清,傅志方.浮筏隔振系统各主要参数对系统隔振性能的影响[J].振动与冲击,2000(02):7-10 6 92.
[12]祝华.浮筏装置的理论建模与分析方法[J].舰船科学技术,1994(02):14-19.
[13]邵汉林,姚心国,朱显明.浮筏隔振装置隔振效果评定[J].噪声与振动控制,2002(04):21-23.
[14]吴广明,余永丰,沈荣瀛,彭旭.模态机械阻抗综合法及其在隔振系统中的应用[J].噪声与振动控制,2003(02):13-16.
[15]韦璇,马玉璞,孙社营.舰船声隐身技术和材料的发展现状与展望[J].舰船科学技术,2006(06):22-27.
[16]王耀先. 复合材料力学与结构设计[M]. 上海：华东理工大学出版社,2012：7-10.
[17]Luccioni L X, Dong S B. Levy-type finite element analyses of vibration and stability of thin and thick laminated composite rectangular plates[J]. Composites Part B Engineering, 1998,29(4):459-475.
[18]Lim MK．Method of domain decomposition in vibration of mix edge anisotropic rafts[J]．International Journal of Solids and Structures，1993，30(2):328-330．
[19]Abrate．Serge．Design of multispan composite raft to maximize the fundamental natural frequency[J]．Composites，1995，26：691-697．
[20]华宏星, 陈小琳, 石银明. 运用神经网络识别复合材料板刚度[J]. 复合材料学报, 2000,17(1):108-110．
[21]漆文凯, 程博. 复合材料层合板阻尼预测分析与验证振动[J]. 测试与诊断, 2013,33(6):1049-1053.
[22]MADHAV M R, JAWAID S M AH. Behavioul of composite rigid caisson foundation[J]. Geotechnical Engineering, 2008,39(2):105-111
[23]赵树磊,郭万涛,吴医博.复合材料基座减振性能试验研究[J].材料开发与应用,2009,24(04):8-13.
[24]杨德庆,陈静,郭万涛,罗放.复合结构减振优化设计模型[J].噪声与振动控制,2011,31(03):24-28.
1．目的及意义舰艇向着快速化与大型化的不断发展带来了运转设备的高速化以及工程结构的轻薄化，这使得舰艇振动的问题更加突出，舰艇振动可能引起舰艇乘员的生活环境恶化、增大舰艇的水下噪声、以及影响一些精密设备的正常工作等等一系列问题，因此如何对振动加以控制始终是各国学者所关心的问题。浮筏隔振技术是目前一种非常常用的隔振手段，所谓的浮筏系统，是指将多组动力设备弹性或刚性安装在同一个筏架上，再将筏架弹性安装在基座上所组成的一个减振降噪系统，其具有的“质量效应”、“自调谐效应”与“混抵效应”可以提高隔振效率、减少附加重量。
在国外对于浮筏隔振系统已经有几十年的研究历史。1980年Goyder,H.G.D.和 White, R. G. [1-3]第一次提出了关于隔振系统的振动传递功率流的观点。Hanser C H[4]等首先应用子系统导纳综合法建立了船段板式浮筏系统模型，并在此基础上研究了系统的功率流传递特性。Watters，B.G 等[5]将一种电磁式的主动作动装置应用于主动隔振平台中，在 20~100HZ 频率范围内，采用主动控制振动的方式可以将传递到基础的力降低 20dB。Mak. CM等人[6]通过功率流作为评定标准，研究了浮筏隔振系统中主动隔振器在筏架上安装位置对固有频率的影响，并提出了提出了实时测量并自动搜索隔振器的最佳安装位置的算法，Wang Z等人[7]通过四端参数矩阵法建模，研究了周期性结构浮筏隔振系统中的功率传输，并通过优化结构集合参数，增大了隔振系统的工作带宽。SUN Hongling[8]研究了具有弹性基础的单层、双层及浮筏隔振系统的隔振性能，分析不同隔振系统与弹性基础的耦合特性。
我国对于浮筏装置的研究从上世纪80年代才开始。严济宽[9]、华宏星[10]、张华良[11]等对浮筏隔振系统的参数设计和影响隔振效果的因素进行了初步探讨研究，对浮筏隔振系统的设计提供一定的参考指导作用。祝华[12]等建立了浮筏装置的力学模型,并提出了模态阻抗综合法的建模方法。邵汉林等[13]基于信号能量的观点,分析了用振级落差评定浮筏隔振装置多扰动特性和多向隔振特性的原理,提出了能量叠加的评定方法,并用实测数据进行了验证。吴广明[14]釆用多刚体法推导了考虑隔振器刚度，阻尼比及中间质量影响的浮筏系统功率流传递公式。
由于金属材料成本较低，船用隔振系统机械结构多采用刚度大、强度高的金属材料制造而成，常用的有铸铁、铸钢以及铝质合金钢等[15]。然而，这些金属隔振结构重量大、隔振系统附加质量很大；此外，这些金属材料比刚度较低，材料的声阻尼性能较差，对于动力设备中低频振动及噪声传递抑制效果较差，以及对水面及水下舰船隐身性能的提高有较大影响；相对于钢制材料，CFRP材料具有以下几个优点：
（1）碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高的特点，在质量相同的情况下，碳纤维材料承载能力要优于金属材料，同时，高刚度比使得碳纤维材料具有高自振频率，不容易产生共振。（2）复合材料的基体与纤维界面之间有较大的吸收振动能量的能力，致使材料的振动阻尼较高[16]。（3）碳纤维复合材料具有良好的工艺性能，其制造工艺简单多样，成型方式也很多,便于整体成型制造出各种曲面和复杂结构，通常不需要经过复杂的机械加工过程。（4）碳纤维材料的可设计性强，设计者可以通过进行合理的铺层设计使碳纤维复合材料构件取得更优异的性能。
与传统金属材料相比，碳纤维复合材料在浮筏隔振系统的应用方面有更大的优越性，因此如何将碳纤维复合材料与浮筏隔振系统结合起来，探究碳纤维复合材料结构对隔振性能的影响，是当前研究的重点。上世纪八十年代开始，国外学者就对于复合材料层合板的振动稳定性进行了研究，初始研究对象是对称角铺设层合板的运动稳定性，然后发展到对于不同结构、不同边界、不同激励等条件下复合材料层合板振动特性的研究。L.X. Luccioni[17]等人基于经典和一阶剪切变形理论，通过对铺层方案的调整与变化研究了复合材料矩形层合板在不同铺层方案下的自由振动响应，并在此基础上推导出了解析方程。Lim MK[18]则使用Rayleigh-Ritz法分析了复合材料层合结构的振动特性。S. Abrate[19]利用Rayleigh-Ritz法对复合材料矩形层合板在任意线性支支承条件下的固有频率进行了研究，并给出了其多项式的近似函数表达式。华宏星[20]等在Bamp;K测试系统的支持下对复合材料正交各向异性板的固有振动特性进行了研究，根据测试结果总结出了碳纤维板的刚度特性参数，并以此构建出了碳纤维板刚度特征数值模型，漆文凯[21]采用逐点激励单点测试的实验方法对复合材料层合板实验件进行动力响应实验，通过对频响曲线进行模态识别得到层合板的固有频率和模态阻尼，实验结果与有限元仿真结果一致。
目前，国内外对于将碳纤维复合材料运用到隔振系统中已经进行了一些研究，其中对于复合材料基座方面的研究较多，Madhav 等[22]对复合材料合成沉箱基座开展了理论试验对比研究；赵书磊等[23]分别对金属基座和复合材料基座进行了振动传递特性试验分析；杨德庆等[24]针对钢-复合材料的复合基座结构进行了优化设计研究。一系列的研究表明，复合材料基座具有良好的减振效果，而在复合材料筏架方面的研究则相对较少。
本次我的毕业设计题目是“基于 CFRP 材料的浮筏隔振系统设计与分析”，对被动式浮筏隔振系统进行设计。本次毕业设计的主要内容是对CFRP筏架的结构及其铺层方案进行设计；为隔振器及动力设备的安装布置留有足够空间，保证良好的加工和装配性能，并尽量减小浮筏系统重量；同时要合理选择隔振器型号，使隔振系统避开共振频率；采用加速度振级落差作为隔振性能评价指标，设计出能够在规定频段达到要求的隔振效果的CFRP浮筏隔振系统。
