康逢辉，吴医博，杨瑞瑞，郭万涛

(洛阳船舶材料研究所，河南 洛阳 471023)

0 引 言

浮筏隔振系统是控制机械设备振动向船体结构传递的有效手段，对舰艇的辐射噪声具有重要的影响，目前国内浮筏系统研究主要集中于钢制浮筏系统的结构设计、减隔振效果的计算和评估等方面，但由于钢制材料结构阻尼小、结构设计有限，导致其减振效果无法进一步提高。复合材料具有比强度高、比模量大、高阻尼等特性，且复合材料具有良好的可设计性，因此采用复合材料筏架和基座能够起到良好的减振效果，提高舰艇声隐身水平。目前，在复合材料基座方面研究较多，Madhav等[1]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[2]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；周红兵等[3]进行了基础阻抗对筒形复合材料基座减振机制影响规律的研究；毛亮等[4]通过仿真模型优化了2种新型夹芯复合材料基座的结构形式；罗忠等[5]提出2种夹芯复合材料基座结构设计方案并开展了减振试验研究。杨德庆等[6]针对钢-复合材料的复合基座结构进行了优化设计研究，以上研究均表明，复合材料基座具有较好的减振效果。而在复合材料筏架方面，研究则相对较少。本文首先以典型复合材料筏架结构形式作为研究对象，研究了筏架静力学设计要求，筏架材料、面板厚度等参数对复合材料筏架减振效果的影响，然后基于仿真研究结论进行了某型复合材料筏架的结构设计及振动试验验证。

1 复合材料筏架静力学分析

筏架作为设备的承载结构，为保证设备的正常工作，要求具有一定的刚度，一般要求复合材料筏架刚度不小于钢筏架刚度。平板弯曲刚度计算见下式：

从式（1）可以看出，对于复合材料筏架，要求其刚度不小于钢筏架刚度。当筏架材料为钢时，钢杨氏模量为210 GPa；当筏架材料为复合材料时，复合材料筏架材料拉伸模量约20 GPa，分析得到复合材料板厚度为钢厚度的2.5倍以上时，可保证复合材料筏架刚度不小于钢筏架刚度。

本文以某型号筏架为研究对象进行研究，筏架如图1所示。筏架长度为2 500 mm，宽度为2 200 mm，高度为240 mm。分别计算钢筏架和复合材料筏架在固定载荷下的挠度，复合材料筏架各面板厚度为钢筏架各面板厚度的2.5倍。钢杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 500 kg/m3，复合材料拉伸模量EX=EY=20 GPa，EZ=4.8 GPa，NUXY=0.13，NUYZ=NUXZ=0.3，GXY=GYZ=GXZ=4.8 GPa，密度为1 800 kg/m3。根据筏架实际使用工况，分别对两筏架施加载荷和边界条件，计算额定载荷下两筏架的变形，计算结果如表1所示。

表1 两筏架额定载荷下变形情况Tab. 1 The maximum deflection of the two raft frames

从表1可以看出，当复合材料筏架各面板厚度是钢筏架各面板厚度的2.5倍时，复合材料筏架最大变形小于钢筏架，因此，在复合材料筏架设计时，为保证复合材料筏架刚度，其最小厚度为钢筏架的2.5倍以上。

2 复合材料筏架振动特性仿真分析

式（1）为结构振动系统动力学方程，从式（1）可以看出，振动系统质量、刚度、阻尼对振动有较大的影响。

式中：[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵；{F}为激励力矩阵；，，{x}分别为振动加速度，振动速度和振动位移。

复合材料具有良好的设计性，在复合材料筏架结构设计时，可以通过改变纤维织物类型、铺层角度、树脂类型、阻尼层层数、铺层方式、面板厚度等快速改变整个筏架的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，从而实现复合材料筏架的良好减隔振效果。

选取图1所示筏架结构形式，筏架上面板中心通过4个BE-85隔振器与设备连接，上面板四周分别通过4个BE-60隔振器与4台设备连接。复合材料筏架下面板通过8个BE400隔振器与钢基座连接，钢基座刚性固定在模拟平台上，有限元模型如图2所示

定义振级落差和减隔振效果如下式：

式中：LA为各结构上平均振动加速度级总级；LD为筏架减隔振效果；Li为各测点振动加速度级；n为参与计算的测点总数；LA壳-钢为钢筏架时耐压壳体上各测点平均振动加速度总级；LA壳-复为复合材料筏架时耐压壳体上各测点平均振动加速度总级。

2.1 材料模量对复合材料筏架减隔振性能影响

复合材料具有良好的可设计性，通过改变纤维、树脂类型、铺层方式可有效改变复合材料杨氏模量，进而改变复合材料筏架的刚度。研究了复合材料不同模量下筏架的减隔振效果，图3为减隔振效果随复合材料筏架材料模量的变化曲线。

从图3可以看出，随着复合材料模量增加，复合材料筏架减隔振效果有一定提高，这是因为，随着复合材料模量的增加，一定程度的提高了复合材料筏架整体刚度，从而提高了复合材料筏架减隔振效果，因此，在进行复合材料筏架材料选型时，应尽量提高复合材料模量，其中模量应在15 GPa以上，从而提高减隔振效果。

2.2 材料阻尼性能对复合材料筏架减隔振性能影响

振动系统的阻尼能够有效降低振动系统共振频率扑进的振动，为了研究复合材料筏架阻尼对减隔振效果的影响，研究了当复合材料筏架材料阻尼不同时浮筏系统的减隔振效果，图4为减隔振效果随复合材料筏架材料阻尼系数变化曲线。

从图4可以看出，随着复合材料阻尼增加，复合材料筏架减隔振效果提高，但减隔振趋势逐渐平缓，这是因为随着材料阻尼性能的提高，复合材料筏架整体阻尼性能增加，有效提高了振动能量在筏架中的耗散，从而提高了复合材料筏架的减隔振效果，为提高复合材料筏架的减隔振效果，阻尼损耗因子在0.1以上效果最佳。

2.3 上面板厚度改变对筏架减振性能影响研究

筏架上面板厚度改变，使得筏架刚度、重量及输入阻抗随之改变，从而使得振动能量输入不同，最终使得筏架的减振性能不同。图5为不同频段下减隔振效果随上面板厚度变化曲线。由图5可以看出：复合材料筏架上面板厚度对中高频减振效果具有较大的影响，而对低频段减振效果则影响较小。因此在进行复合材料筏架设计时，增大上面板厚度能有效提高筏架中高频段减振效果，而对低频段减振效果则影响较小，为保证低频段振动不放大，应保证复合材料筏架上面板厚度为钢筏架上面板厚度的4倍以上。

2.4 肋板厚度改变对筏架减振性能影响研究

肋板做为筏架振动能量的主要传递途径，改变肋板厚度，造成肋板和上下面板连接处阻抗失配，使得振动能量以反射为主，进一步提高复合材料筏架的减振效果。图6为不同频段下减隔振效果随筏架肋板厚度变化曲线。通过图6可以看出，相对于增大上面板厚度，改变复合材料筏架肋板厚度对低频具有较好的减振效果，对中高频段也具有一定的减振效果，但比改变上面板厚度减振效果较小。因此在进行复合材料筏架结构设计时，为了增大筏架在全频段的减振效果，尤其是在提高筏架低频段的减振效果，肋板厚度应适当增大，最好为钢筏架肋板厚度3倍以上。

2.5 下面板厚度改变对筏架减振性能影响研究

下面板作为复合材料筏架与舰艇结构相连接的重要组成部分，下面板必须具有一定的强度和刚度，同时下面板作为振动能量的主要传递途径，当厚度不同时，对复合材料筏架的减振效果具有一定的影响。图7为不同频段下减隔振效果随筏架下面板厚度变化曲线，从图7可以看出，改变下面板厚度对复合材料家系统的减隔振效果影响并不明显，但下面板和基座通过隔振器连接，下面板支撑整个筏架和设备的重量及各种载荷，因此，复合材料筏架下面板在满足强度、刚度等要求的基础上，尽量减薄，从而满足减重要求。

3 复合材料筏架结构设计及验证

在仿真分析研究的基础上，针对某型号钢筏架，综合考虑减振、减重、工艺等3方面设计复合材料筏架，在保证筏架结构外形尺寸相同的情况下，设计的复合材料筏架结构参数如表2所示，其中两筏架纵横肋板数量及位置相同。分别成型复合材料筏架和钢筏架，在复合材料筏架成型中，通过合理设计阻尼层层数及铺层位置增大复合材料筏架阻尼。筏架改变下面板厚度虽然有一定的减振效果，但相比于改变上面板厚度和肋板板厚度，其减振效果相对较小，且当下面板部分厚度时，减振效果反而降低。因此在进行复合材料筏架设计时，在满足力学要求时，为了复合材料筏架减重，筏架下面板厚度应偏薄设计。

表2 复合材料筏架结构参数表Tab. 2 The structure parameters of the composites raft frame

分别对由复合材料筏架和钢筏架组成的浮筏系统进行振动测试。为了模拟筏架的实际使用工况，将筏架通过上下隔振器分别与设备、配重块和钢制基座连接，钢制基座安装在舱段平台上，激振器激励配重块和开启设备模拟多源激励。本次测试共设置了26个振动测点，测点布置如图8所示。图9为复合材料筏架和钢筏架各测点振动加速度级对比图，图10为复合材料筏架相对于钢筏架系统振动插入损失。表5为两筏架平均振动加速度总级及插入损失对比表。

从测试结果可以看出，相对于由钢筏架组成的浮筏系统，由复合材料筏架组成的浮筏系统在各个测点均具有良好的减隔振效果，在10～5 000 Hz范围内相比于钢筏架，复合材料筏架减隔振效果提高9.9 dB，且在10～315 Hz低频段内具有良好的减隔振效果，减隔振效果提高3 dB。从以上分析可以看出，复合材料筏架具有良好的减隔振振效果。

4 结 语

1）复合材料筏架各面板厚度为钢筏架厚度2.5倍以上时，可保证复合材料筏架刚度不小于钢筏架刚度；

2）提高复合材料筏架阻尼和模量，均能提高复合材料筏架系统的减隔振性能。

3）复合材料筏架上面板厚度增大对筏架高频减振具有较明显的效果，而复合材料筏架肋板厚度增大对中低频段减振具有明显的效果，改变下面板厚度对筏架减振效果不明显；

4）所设计的复合材料筏架，相比于约束阻尼处理的钢筏架，10～10 000 Hz全频段内减隔振效果提高约10 dB，10～315 Hz低频段减隔振效果提高约3 dB。

参考文献：

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