船用C型夹层板隔声性能研究

夹层板作为一种新型结构,具有设计性强、重量轻、比刚度高、减振隔声性能好等优点,已被应用于各种工程结构。然而,其夹层结构形式种类繁多,对复杂夹层结构的隔声性能进行理论分析比较困难,亟需开展新的近似分析方法。本文针对船用C型夹层板,基于弹簧、扭簧与集中质量的等效方法,建立C型夹层板的声振耦合控制方程,利用空间谐波展开法,推导C型夹层结构的传声损失表达式,讨论夹层板系统参数对结构隔声性能的影响规律。结果表明,材料属性与夹层板结构面板的厚度对C型夹层板结构隔声性能的影响较大。同时,通过有限元仿真,验证了理论分析的有效性。

基于改进傅里叶级数的黏弹性夹层板动力问题的数值算法研究

本文提出了一种基于改进傅里叶级数的新型数值算法,用于求解任意边界条件下黏弹性夹层板的自由振动特性。该算法利用一阶剪切理论建立面外位移场,采用改进的傅里叶级数拟合位移容许函数,结合Rayleigh-Ritz法计算动能和势能,并利用Hamilton变分原理得到振动特征矩阵方程。计算结果表明,无论是梁式板结构还是各种边界条件下的夹层板结构,该算法得到的自振频率和损耗因子与解析解、2D有限元解、数值计算法和ABAQUS有限元软件等计算结果相比,误差均不超过1%,计算效率提高了10倍,并且克服了传统方法只能求解特定边界下振动问题的局限性。本文建立的方法具有收敛性好、计算效率高和适应性强等特点。

开圆孔波纹夹层板单向拉伸状态的应力极值优化求解

[目的]旨在研究开圆孔无限波纹夹层板单向拉伸状态的应力分布,寻求最不利开孔位置。[方法]采用ANSYS软件子模型方法计算不同开孔位置的应力分布,并用ANSYS软件提供的零阶优化设计方法寻求最大应力集中系数时的开孔位置。[结果]开孔附近的应力分布与网格划分密切相关,最大应力总是出现在芯层板上。开圆孔无限波纹夹层板单向拉伸状态的应力集中系数普遍大于3,最大可达4.104。[结论]先整体模型再子模型的应力极值优化分析过程既可以节省计算时间,又可得到较高计算精度,提高优化效率。

舰船舱内爆炸载荷下Y形夹层板动响应及抗爆性能影响因素

针对反舰武器攻击下舰船结构抗毁伤防护问题,采用小型舱室模型实验结合有限元数值分析的方法,分析不同爆距下Y形夹层板结构的动响应特性,总结得到Y形夹层板结构面板的7种变形模式,发现面板变形模式与爆距和与其相连芯层刚度的相对强弱有关,爆距较小时面板易发生局部隆起变形,爆距较大则易发生整体碟形变形或板格变形,芯层强、面板弱时面板易发生板格变形,面板强、芯层弱时则易发生整体碟形变形,迎爆面板和V形芯层的刚度较大时背爆面面板则发生整体碟形变形。总结了Y形芯层在舱内爆炸载荷作用下的3种典型变形情况,即V屈曲I失稳、V屈曲I不变、V不变I不变;探究了迎爆面面板厚度、V形芯层厚度和I形芯层厚度对Y形夹层板结构抗爆性能的影响,发现增加迎爆面面板厚度和I形芯层厚度都可以显著降低背板变形,但增加迎爆面面板厚度会使得结构总吸能降低,增加I形芯层厚度则结构总吸能基本不变,增加V形芯层厚度则V形芯层吸能急剧下降,背板最大变形先增加再减小,结构总吸能下降。

舰船水下抗爆U型夹层板结构改进及参数优化设计

设计相应的防护结构来降低水下爆炸冲击荷载对舰船的损伤对于提高舰船生命力具有重要意义.以U型夹层板为研究对象,对传统U型夹层板结构进行改进,提出了3种改进的U型夹层板结构.采用有限元软件LS-DYNA中任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法分析水下爆炸冲击荷载作用下3种改进夹层板的位移、速度与加速度响应和吸能效应,并与原始U型夹层板对比找到综合性能相对最优的改进夹层板.最后通过正交试验对性能最优的夹层板进行优化,分析夹层板设计参数对抗爆性能影响的主次顺序及最优的尺寸组合.分析表明:改进的U-X型夹层板上面板位移相比U型夹层板下降了15.7%,速度下降了34.5%,芯层吸能提高了25.2%,在改进夹层板中综合性能最优;U-X型夹层板最优的尺寸组合及设计参数为芯层厚度1.5 mm、芯层高度100 mm、下面板厚度3.0 mm、上面板厚度3.5 mm.经验证,尺寸优化后U-X型夹层板质量降低了6.3%,抗爆性能也得到了显著提高.

压电FG-CNTRC夹层板自由振动与隔声量分析

碳纳米管增强复合材料是一种既满足航空航天、医学生物等高技术领域的需要,又满足在极限环境下反复正常工作的新型功能材料。研究了压电碳纳米管增强复合材料(functional gradient carbon nanotube reinforced composites,FG-CNTRC)夹层板的自由振动和隔声特性,考虑了两种不同的芯层分布形式,即对称的FG-X型分布和非对称的FG-V型分布。基于三阶剪切变形理论,建立了四边简支边界条件下的动力学方程和声振耦合方程,利用纳维法和流固耦合条件,求解得到结构振动固有频率和隔声量。通过有限元模拟,验证了理论模型的正确性和可行性,在此基础上,讨论了参数变化对自由振动和隔声特性的影响,研究结果为夹层板在工程上的应用提供了理论基础。

含螺旋孔的超材料夹层板的带隙特性研究

本文提出一种新型低频宽带的穿孔超材料夹层板,旨在有效抑制板间横向振动。该结构的单胞由上下层面板、螺旋板、圆柱振子和支撑部件等构成。其中,螺旋板上设计4个螺纹孔,圆柱振子通过螺栓固定于板中心,螺旋板通过两侧横板与支撑部分连接。采用COMSOL仿真软件对胞元进行有限元分析,获得了无限周期结构的能带和共振模态,并计算了有限周期结构的传输透射率。结果表明,该结构能够产生两个宽幅的低频振动带隙,带隙范围内的振动衰减明显。本文进一步揭示了带隙机理,优化了结构参数,实现了两带隙的低频耦合,给出了符合工程实际需求的带隙。

基于能量法的空腹夹层板夹心层平面外等效剪切模量计算

采用拟夹层板的方法快速计算空腹夹层板的受力性能,需要其拟夹心层的抵抗剪切影响的参数。考虑空腹夹层板的空间构型和建造材料,文章采用能量法对去掉表面薄板的空腹夹层板作为夹心层模型进行平面外等效剪切模量的计算。为验证此平面外等效剪切模量的精确性,采用多组精细有限元模型在不同工况下进行误差对比。结果显示:在多种情形下通过该计算式计算出的剪切变形具有一定精度,最大误差约15%,相较之前研究误差大大减小;空腹夹层板本体抗剪刚度优秀;不改变其他构件形状,仅改变剪力键的材料选取对其抗剪能力影响有限。

M型皱褶芯材夹层板隔声性能研究

作为先进复合材料夹层结构,皱褶芯材构型多样,先前研究大多围绕V型皱褶芯材展开,鲜有对其他构型的隔声性能研究。建立垂直入射声压激励下的四边简支M型皱褶芯材夹层板数值模型,基于有限元软件对其隔声性能进行数值仿真,并将理论预测的蜂窝夹层板隔声曲线与仿真结果进行对比;基于仿真模型,研究M型皱褶芯材夹层板结构的隔声性能,讨论皱褶芯材胞元几何参数对隔声性能的定性影响规律;研究双层芯材的M型皱褶芯材夹层板上下两层芯材的相对铺设错位、铺设角度对隔声性能的影响。结果表明:上下两层芯材在胞元Z形线步长方向错位叠放时隔声效果提高,且优于同面密度的单层皱褶芯材夹层板;在上下两层芯材相对铺设角度变化时,上下层芯材轴线垂直铺设时计权隔声量最大。

弹性约束下变厚度蜂窝夹层板的隔声特性

基于一阶剪切变形理论,研究了变厚度蜂窝夹层板在不同边界条件下的自由振动和隔声性能。从能量角度,利用改进的瑞利-里兹法和流固边界耦合条件,建立并求解了蜂窝夹层板的隔声理论模型。将理论计算的蜂窝夹层板固有频率、传声损失与相关文献结果和仿真结果对比,验证了所建立变厚度蜂窝夹层板隔声理论模型的准确性。此外,对比分析了特征角、厚度变化系数和边界条件对蜂窝夹层板隔声性能的影响。研究表明,厚度变化系数和边界条件对蜂窝夹层板隔声性能影响较大。

基于破片随机分布的夹层板受爆响应数值研究

为研究空爆载荷下冲击波与随机分布破片联合作用下夹层板毁伤特性问题,基于模拟的随机破片场实现了冲击波与破片联合作用下的夹层板结构响应分析。使用LS-DYNA有限元软件,以折叠式金属夹层板为研究对象,根据炸药药量及外壳厚度生成面积分布满足概率函数要求的破片场,在验证仿真方法有效性的前提下,开展系列仿真分析金属夹层板结构损伤情况。结果表明,在同密集度不同分布随机破片工况下,夹层板损伤模式相近。不同密集度情况下,随着破片密集度的上升,夹层板整体破口面积减小,吸能效果下降。该研究成果对船舶结构抗爆设计及相关规范的制定具有参考意义。

爆炸冲击波作用下金属折叠式夹层板损伤特性研究

为研究爆炸冲击波作用下金属折叠式夹层板的损伤响应特性,采用ABAQUS软件、CEL算法和流固耦合理论建立了冲击波作用下的金属折叠式夹层板结构损伤的仿真模型,通过对数值仿真与实验数据进行对比,验证了数值仿真的有效性.同时对不同面板厚度、炸药当量对金属夹层板的毁伤特性进行分析.结果表明:随着上面板厚度的增加,结构发生局部破坏产生的破口逐渐减小,破口形状逐渐发生改变;随着炸药当量的增加,夹层板横向、纵向的结构特性逐渐丧失.

蜂窝夹层板面内剪切强度预测

蜂窝夹层板面内剪切强度是蜂窝夹层板结构设计中的重要参数之一。为了快速预测蜂窝夹层板面内剪切强度,基于拉丁超立方法抽样进行试验设计,构建了与仿真结果一致性良好的代理模型;利用代理模型基于Sobol法求解得到了影响蜂窝夹层板面内剪切强度各设计变量的灵敏度,确定了对蜂窝夹层板面内剪切强度有显著影响的参数;构建了蜂窝夹层板面内剪切强度预测公式,并对预测公式进行了验证。结果表明,蜂窝夹层板面内剪切强度预测值和实际值的相对误差最大不超过7%,平均相对误差不超过2%,满足工程应用精度要求。

3D打印和电沉积多层超轻夹层板的力学性能和能量吸收性能

研究由开孔聚合物和金属/聚合物泡沫芯制成的轻质夹层板的力学性能和能量吸收性能。通过结合聚合物树脂的增材制造和三层金属(Ni/Ni-Cu/Ni)的电沉积制备多层夹层板,每英寸孔数(PPI)为4、5和6。测试样品在单轴压缩变形过程中的屈服强度,计算其能量吸收密度、互补能和比吸收能(SEA)。结果表明,与相同厚度的纯Ni和Cu夹层板相比,复合夹层板的性能有明显改善。增加PPI和金属层可提高力学性能和能量吸收性能,当PPI为6时,屈服强度(能量吸收密度)由聚合物夹层板的0.12 MPa(0.12MJ/m^(3))提高到三层金属夹层板的1.83MPa(0.67 MJ/m^(3))。对夹层板结构归一化能量的研究表明,夹层板具有可预测的塑性变形行为,多金属层改善了新型夹层板的力学性能。其能量吸收性能的显著增强可保证材料在不同行业的独特应用。

弹性地基上非对称多孔功能梯度材料夹层板的自由振动

基于精细剪切变形理论研究了弹性地基上的非对称孔隙功能梯度材料(functionally graded material, FGM)夹层板的自由振动。结合该理论提出了一种新的非对称多孔FGM夹层板在弹性地基上的自由振动模型,且该模型只包含四个未知变量。控制方程是通过Hamilton原理建立的,并通过Navier法获得了其在四边简支下的固有频率。将模型退化为无弹性地基的非对称FGM夹层板以验证模型的准确性。最后详细讨论了参数变化对弹性地基上的非对称多孔FGM夹层板的自由振动行为的影响。研究发现,在不同的弹性系数下,非对称多孔FGM夹层板的固有频率会随着边厚比的增加而增加,而体积分数指数的增加对于不同弹性系数下的非对称多孔FGM夹层板的固有频率有不一样的变化。

船用栅格构型夹层板隔声特性研究

本文利用声学有限元法系统研究了米字型栅格构型夹芯板的隔声特性,将铝板隔声量的软件计算结果与理论进行对比从而验证仿真的正确性,进一步分析阻尼损耗因子、芯层厚度、芯层壁厚以及面板厚度对隔声性能的影响规律,研究结果表明改变面板厚度、夹层高度、夹层壁厚对隔声性能的优劣有重要影响,并通过控制质量和体积与普通矩形栅格夹芯板对比,得出米字型栅格比矩形栅格构型有着更优的隔声性能,该研究结果可为船舶噪声控制提供参考依据。

SPS夹层板传声损失特性研究

利用简支模态双级数方法,研究了夹层板系统夹层板的隔声性能.首先将入射、反射及透射声压以简支模态双级数表示,考虑入射、反射及透射声压对夹层板的激励作用,基于双级数形式,推导了四边简支SPS夹层板的声振耦合方程;其次,通过流固耦合边界条件求解得到了SPS夹层板的传声损失,讨论了SPS参数对结构隔声性能的影响规律,结果表明芯层所用材料密度与声压入射角度对SPS夹层板隔声性能的影响较大;最后利用有限元仿真,验证了理论分析的有效性.

π型钢夹层板的隔声特性研究

基于有限元软件,对夹层板结构在平面波垂直入射条件下的隔声效果进行数值仿真,讨论夹层板在不同的面板厚度、夹芯厚度、夹芯高度、夹芯与面板夹角等结构参数下,固有频率和隔声的变化,结果表明在0~800 Hz范围内增加上下面板厚度和夹芯厚度对减振和隔声性能的提升有较好效果;夹芯高度和面板夹角在给定频率范围内较小时有利于振动和隔声效果。通过两端固支梁模型以及隔声量的理论与仿真对比,验证了本文数值方法的有效性。

波纹-负泊松比蜂窝混合芯夹层板的自由振动

夹层板作为一种复合材料结构,其芯层在系统特性中起着重要作用。基于三阶剪切变形理论(third-order shear deformation theory,TSDT),通过Rayleigh-Ritz法研究了由梯形波纹与具有负泊松比的蜂窝组成的混合芯夹层板的自由振动,分析了边界条件及参数变化对夹层板振动特性的影响。结果表明,边界条件、芯层结构与蜂窝倾角对夹层板的固有频率有重要影响。研究结果对混合芯夹层板结构在工程应用中的设计与优化具有一定的理论指导意义。

大跨度正交正放与正交斜放空腹夹层板力学性能对比分析

为对比正交正放与正交斜放空腹夹层板性能的差异,基于ANSYS、SAP2000建立大量模型,分析边梁截面尺寸、表层板厚度、上肋和下肋截面尺寸、结构长跨比对两者刚度的影响,层高对结构频率的影响以及基于变换荷载路径法对两者的抗连续性倒塌性能分析。结果表明:边梁截面尺寸与混凝土表层板厚度的增加可以明显地提升结构刚度;上、下肋截面高度为主要影响结构刚度的参数且截面尺寸增大可以提升结构刚度;结构的长跨比大于1.5时,选用正交斜放的放置形式更好;高层建筑中正交斜放空腹夹层板的自振频率更具优势;正交斜放空腹夹层板的抗连续性倒塌能力更优秀;正交斜放空腹夹层板的刚度从多个方面优于正交正放空腹夹层板。