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夹芯复合材料基座结构设计与万博max官网手机版_NO.1

发布于:2021-07-31 18:18
万博max官网手机版_NO.1

       在与舰艇声隐身相关的三大噪声源的控制技术中,船用主动力装置和辅助机械振动噪声的控制占着重要的地位,因此新型减振材料和新型隔振结构不断涌现,如船用钢丝绳隔振器和空气弹簧等。夹芯复合材料基座因其具有良好的阻尼特性和结构形式的可设计性,近年来也在设备振动控制领域得到了足够的重视。在基座的隔振设计中,一方面,作为隔振器,要求系统的固有频率很低,通常被动隔振装置在外扰频率大于固有频率的2倍时才能起隔振作用,但是对低频外扰,隔振系统的固有频率很难满足这一要求;另一方面,基座作为支撑结构,为了保证设备的安装精度和支撑系统的稳定性,又要求有足够的支撑结构刚度,所以在设计被动隔振系统时,不可避免地采用折中的办法,即牺牲一部分的隔振效果,以提高支撑系统的稳定性。万博max官网手机版_NO.1复合材料基座的夹芯阻尼材料可以使系统获得较好的隔振效果,而纤维增强复合材料的弹性模量仅为钢材的1/10,所以需要合理设计复合材料基座结构,使基座满足强度、刚度要求。
       文中提出两种夹芯复合材料基座设计方案。第一种方案:如图1所示,面板由纤维复合材料层1、2构成,并由结构3支撑,在两层之间的空腔中填充隔振阻尼材料4,可以选择各种发泡隔振材料,如发泡聚氨酯橡胶,并可以根据关心的振动频率来确定材料的厚度和孔隙率。第二种方案:如图2所示,基座面板由纤维复合材料层1、2构成,并由结构5支撑,在两层之间的空腔中填充隔振阻尼材料4,支撑结构5可加大基座的弯曲强度和刚度,此方案与方案一比较,具有更好的柔度特性。
       复合材料基座结构的刚度由支撑结构和夹芯材料提供,由于纤维增强复合材料的弹性模量远大于芯材,考虑芯材体积变形很小,因此主要对基座支撑框架结构的刚度特性进行讨论。在承受载荷作用时,基座的力学性能由纤维增强复合材料支撑方向的刚度决定。由于支撑的纤维铺层层数和厚度直接影响支撑厚度,因而是影响基座尤其是方案一所示基座刚度的主要因素。此外,铺层角度对基座刚度也有影响。沿支撑方向为y轴,垂直支撑方向为z轴建立坐标系。在该坐标系原点建立另一个坐标系,其中沿纤维主方向为1轴,垂直纤维主方向为2轴。
       方案二所示的复合材料基座结构,在承受载荷作用时,其变形和应力则由支撑结构的弯曲侧向刚度决定。考虑如图3所示受力状况下,支撑厚度为h的弧形支撑柱。取中曲面作为坐标曲面,R是中曲面的曲率半径。设挠度为支撑厚度的同阶小量,支撑内与中曲面距离z的任一点的径向坐标是r,则该点径向、环向和轴向位移u,v,w。
       通过分析,改变基座复合材料面板的铺层方式,对基座的静刚度影响很小。上下复合材料面板采用90°/0°/90°/0°/90°(与坐标系x方向夹角)正交铺层,垂直支撑采用90°/0°/90°/0°/90°(与坐标系z方向夹角)正交铺层,其变形云图和应力云图如图4、5所示。从图可知,基座的最大变形为0.151mm,出现在面板中部和支撑顶部,最大应力为13.9MPa,出现在支撑与面板连接角隅处,此时基座框架的静刚度为8.219MPa/mm。
       当直支撑采用单向铺层时,铺层角度对基座力学性能的影响如表1所示,Ez在θ=0°时取得极大值。由式(1)可得单向铺层方向对基座静刚度影响较大,随着铺层角度增大,基座静刚度减小,但支撑变形显著增大;在均布面载荷作用下,基座最大应力出现在面板和支撑连接的角隅处,而且随着铺层角度增大,应力增大。从变形云图上可以看出,当铺层角度增大时,支撑变形向y正方向倾斜,到45°后又慢慢回复到均匀变形状态,这主要是由于纤维主方向改变,引起刚度矩阵的变化。当铺层角度从45°继续增大时,由于垂向刚度是与铺层角度的三角函数有关,所以对基座变形影响变小。

 

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