（船舶与海洋工程专业论文）船舶与海洋工程结构振动控制问题的若干探讨.pdf

摘要 本报告对册舶与海洋工槲结构振动挂制的糟干问题j 挫行了探讨。 探讨了蚓k e l v i n v o i g t 模溅摸拯糕弹性模蘩熬霹能瞧，分褥中考虑了确定k e l v i n - v o i g t 搂磺矧照搬k e l v i n - v o i g t 搂，鼹潜性投型到考虑了撂准浚变学模蘩秘分数鼯数模 蹙 ；| 勺情况。 分析戒明，在低频率段采 j 随机k e l v i n v o i g t 楼穗怒可以的，这就慧睬着可以瑚经典纳m c k 帮动力学方箨避行分拼讶究。 研究了州镣效单屡板计算夹朦板同有频率的问题，单层板采用考虑剪切的m i n d l i n 扳。 研究中分列针对具有厚、薄夹心的对称夹层板和不对称必层扳进行了分析，结暴表明，率方 法对低阶频率计算是能够保讧e 一定精度的。为：】：蒯简化古 冀提供了一种方法。 磷究了规廉是劈瓣鬻静掇动翳离技术：方铡霞f 惩簿。 研究了方钢她隧缀效果。癌璀振动分援的掘城l 避拄方法针对秘个蠡由度系绞幕l 三拿囊由 度系统进行v 分祈。分析中详踊带察了旗精眈对黼振效慕的影响，讲究了隔振的有效区域。 结果表裙，在篱频率投，_ 方锅可| ：盂有效熄控翩位移响应豹传递同时控铺系统的绝对位穆蛹麻。 研究了压筋对振动响应传递以及振动响应控制的问题，考察了雁筋几何参数以及边界条 纷的黟响。结蒙表明，压簸的有效处理会人大降低了低予共掇频率躲频率段的使移峨应传递 率，同时压筋的有效处理会使发生共振的频率旦簧增加_ 弗降低共搬响应。此外，压筋处理使 结椽瓣套频率零l 摄型裙发生了显蘩变钝。 另外，本文对海洋平台结构搬动控制润题遴 亍了耪步游探讨。 s u m m a 鬏y s e v e r a lp r o b l e m so fv i b r a t i o nc o n t r o lf o rs h i pa n do f f s h o r es t r u c t u r e sa r ed i s c u s s e di nt h i s r e p o r t - t h ef e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o no fv i s c o e l a s t i cm o d e lu s i n gk e l v i n v o i g tm o d e li sd i s c u s s e d i n t h ea n a l y s i s ，f i x e dk e l v i n v o i g tm o d e la n dr a n d o mk e l v i n v o i g tm o d e la r ec o n s i d e r e d ，s t a n d a r d r h e o l o g i cv i s c o e l a s t i cm o d e la n df r a c t i o n a l d e r i v a t i v ev i s c o e l a s t i cm o d e la r ec o n s i d e r e d ，t o o r e s u l t ss h o wt h a tv i s c o e l a s t i cm o d e lc a nb es i m u l a t e db yr a n d o m k e l v i n v o i g tm o d e li nt h el o w f r e q u e n c yr a n g e 讯i sr e p o r tp r o p o s e sas i m p l i f i e df i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o a n a l y z es m l d w i c hp l a t e t h e n a t u r a lf r e q u e n c i e so fs a n d w i c hp l a t es i m p l i f i e da s i s o t r o p i ep l a t eb a s e d0 nt h ee q u i v a l e n c e p r i n c i p l ea r ec o m p u t e du s i n gm i n d t i np l a t ef i n i t e e l e m e n t t h eb e n d i n ga n ds h e a rr n o d i f y i n g c o e f f i c i e n t sa r ed e r i v e da c c o r d i n gt od i s t r i b u t i o no ft i l es t r e s sa n ds t r a i no ft h es a n d w i c hp l a t e a l o n g t h ed i r e c t i o no f p l a t et h i c k n e s s i nt h ea n a l y s i s ，e x a m p l e so f s y m m e t r i c a la n da s y m m e t r i c a l s a n d w i c hp l a t e sw i t ht h i c ke o r ea n dt h i nc o r ea t ec o m p u t e d as i m p l i f i e da n a l y s i sm e t h o di s p r e s e n t e df o rt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 。 t w ov i b r a t i o ni n s u l a t i o nt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e df o rs h i ps t r u c t u r e ：l a r g en l a s sa n d s w e d g e d i s p l a c e m e n tt r a n s f e ro f t w od o f s y s t e ma n d t h r e ed o f s y s t e mi sa n a l y z e db ym e c h a n i c a l i m p e d m a c em e t h o d t h ei n f l u e n c eo fm a s sr a d i oo nt h ed i s p l a c e m e n tt r a n s f e ra n dt h ee f f e c t i v e f r e q u e n c yr a n g eo f 埘b r a t i o ni n s u l a t i o nf i r es t u d i e d i nt h i sa n a l y s i s 。r e s u l t ss h o wt h a ta l l o c a t i o no f l a r g em a s sc a na f f e c t i v e l yc o n t r o ld i s p l a c e m e n tt r a n s f e ra n dd i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo fs y s t e mi n t h eh i g hf r e q u e n c y r a n g e t h ei n f l u e n c eo fs w e d g eo nt h ec o n t r o l l i n gd i s p l a c e m e n tt r a n s f e ra n ds t r u c t u r a lr e s p o n s ei s s t u d i e d 。i nt h ea n a l y s i s ，i n f l u e n c eo f g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sa n db o u n d a r yc o n d i t i o no fs w e d g e i s s t u d i e d r e s u l t ss h o w , a l l o c a t i o no fs w e d g ei sv e r ye f f e c t i v ef o rc o n t r o ld i s p l a c e m e n tt r a n s f e ra n d d i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo f s t r u c t u r ei nt h ef r e q u e n c yr a n g eu n d e r r e s o n a n c e 括e q u e n c y i nt h i sr e p o r t ，v i b r a t i o nc o n t r o lo f o f f s h o r es t r u c t u r ea l s oi sd i s c u s s e ds i m p l y 1 1 j ：海交通大学博士后研究报告 绪论 0 1 立题的科学依据及意义 我国现代舰艇的设计，集中体现在提高舰艇“两力，性”方面。所谓两力，即作 战能力，生存能力：所谓六性，即机动性，隐蔽性，兼容性，可用性，居住性和经济 性。其中，隐蔽性是舰艇避免被敌方各种探测器材发现的一种特性。隐蔽性的优劣：直 接影响剑舰艇的生存能力和作战能力，它具有隐敲自己和先敌发现的双重战术意义。 处于航行状态的舰船有许多物理场的特性，如辐射噪声，电磁辐射，红外辐射，可见 光，磁场，水压场，温度场重力场等。现代技术可利用这些物理场的特性发展高性 能探测故备和高精度的武器制导装置，对舰艇构成了越来越大的威胁。冈此，努力降 低舰船本身物理场的特征，减少可探测性，己成为船舶技术发展的重点之一。对舰艇 的减振降噪就是其中的一个非常重要的方面” 。 儿十年来，出于现代战争的需要，世界各国对舰艇的减振降噪进行了大量的研究 f 。作，采用了各种技术手段，其中以潜艇的减振降噪工作尤为明显。在这方面，美国 和前苏联( 俄国) 等国取得了明显的效果。据报道，经过3 0 多年的努力，美国潸艇的噪 声总卢级下降了4 0 d b 以上，前苏联潜艇的噪声总声级下降了3 0 d b 以上。我国虽然也 进行了诸多的研究一r ：作，但我国潜艇的性能与美俄等军事强国相比仍相差很远，噪声 总卢级分贝数较高就是其中重要的一项。 我国的海岸线很长，领海面积很大，保卫国家领海不受侵犯，抵御外来侵略，需 要有一支强人的海军，需要拥有现代化的舰艇。同时，随着生活水平的提高，人们对 丁居住、旅行的舒适性等的要求也越来越高。因此本文无论是在国防上还是民用上都 具有很实际的应用意义。 船舶结构的减振降技术尤其是军事舰艇上应用的技术通常都是保密的，这方面的 资料也是非常有限的。 0 2 本文的主要研究内容 本文内容共包括三部分，分九章进行阐述。 第一部分有三章，对弹性粘弹性复台结构振动问题进行了再探讨，这是博士 论文i ：作的延续。 缝论 髓瓣与海洋工程臻搀壹予掰捷疆环境等原因，它翻掰承受熬激磁载萄憝缀复杂匏 载荷的频率范围很大。因此阻用减振占有很重要的地位，因为阻尼能够有效地降低结 搀戆筵摄蜂僚。 篇一章对粘弹性阻尼减振技术进行了介绍，对阻尼技术在我图船舶结构中的应用 进行了谔论，露时作为撼接，掩薅士论文敷设黏弹性隈尾静援巍趣簸叛蕊摄动搬理 研究的主鹫内容也做了介绍。 第二章探讨了捌k e l v i n v o i g t 模型模拙粘弹性模型的可能性，分提中考虑了稳定 k e l v i n v o i g t 横型和随机k e l v i n - v o i g t 模型。粘弹性模型则考虑了标准流变学模型和分 数导数模型的情况。 第三章研究了用等效单瑶板计算夹膳板固有频率的问题，单层板采用考虑剪切的 m i n d l i n 板。研究中分别针对具祷厚、薄央心的对称夹层板棚不对称必层板进行了分攒， 结果表明，本方法对低阶频率计算是能够保证一定精度的。为工程简化计算提供了一 种方法。 第二部分有翻章，对船舶机窿韵隔振问题进行了探讨。船舶上的动力机械是船舶 结构振动和噪声问题的重耍根源之一，囡此机座的隔振问题对船舶减振降噪具有非卷 重要的意义。 第四章介绍了振动隔离技术，并阐述了机座自身的两种振动隔离技术。 第五章磷究了方稍躺隔蒹簸栗。瑾媚振动分祈豹辊城阻抗方法钎对两个自由发系 统和鼍个自由度系统进行了分析。分析中详细考察了质爨比对隔搬效果的影响，研究 了鞴振麴宥簸嚣域。 第六章对i s s c b e n c h m a r k 研究进行了介招；并研究了用有限元方法分析阻尼 结秘对，疆撼耢瓣蕈嚣类鼙豹选取闷趣。 第七章详细研究了压筋对振动响应传递以及振动响应控制的问题，考察了压筋几 秘参数鼓及迭器条 孛戆影嫡。 嚣三部分仪含第八章，对海洋平台结构振动控制问题进行了初步的探讨。 参考文献 郑明，脱船“两力六性”的葫 化和量化发展其宵中国特色的现代化海军中国造船 1 9 9 4 ( t 、：l 1 2 2 i ：海交通大学博士后研究报告 第一部分关于弹性粘弹性 复合结构振动问题的进一步探讨 概要 本部分内容是博士论文敷设粘弹性阻尼的板和加筋板的振动机理研究的延续。 主要探讨了两个方面的问题。 一、粘弹性材料的力学性能很复杂，突出地表现在其力学性能随频率的变化而变 化，其至随温度、湿度等环境因素的变化而变化，这种复杂的性能给结构分析带来了 很大的困难。k e l v i n v o i g t 模型是很简单的力学模型，在时域内它可以表示成经典的 m c k 形式的动力学方程，这类方程的求解方法是非常成熟的。因此，对用k e l v i n v o i g t 模刑模拟粘弹性材料模型的问题进行了尝试性的分析。分析中采用了随机 k e l v i n v o i g t 模型，粘弹性模型考虑了标准流变学模型和分数导数模型。 二、夹层结构是结构中厂泛采州的减振降噪形式，夹心为阻尼材料叉称为约束阻 尼层结构。在敷设粘弹性阻尼的板和加筋板的振动机理研究一文中曾经就对称的 夹层板( 约束阻尼层板) 进行了振动特性的分析，这里对此进行了扩展，考虑了更一 般的不对称形式，用等效的m i n d l i n 板来进行分析根据夹层板的正应力、正应变 乖剪应力、剪应变沿扳厚的分布关系，得到夹层板的弯曲、剪切修正系数。 第一章粘弹性辍豫城振技术 第一章粘弹性阻尼减振技术 l 。1 奏蓍言 结构受到外界激磁，会产生振动发噪声。蠢害盼振动期噪声会影嚷人员的健康、 使设备仪器不能正常使用及降低结构的使用性能，严重的甚至会母致结构的损坏。田 此，结构的减搌降噪一直是一个十分重要的课联。 黻尼技术艇解决工程中韵搬动和噪声问题的一个十势有效的技术，当前阻尼技术 已广泛应用于实际工穰中。粘弹性材料减振降噪是近四、五十年米迅速发艘起来的 项新披术，由于糖弹性材料具有高阻尼能量特幢，能在相当宽的频带内起到抑制搬动 的作用，因此被广泛地应用于结构的振幼控制。此外，避年来高臌尼合金材料在结构 振动和噪声援稍串氇褥到了广泛应用。 本章介绍了阻尼技术在我国船舶结构减振降噪中的成用，包撼船舶工穰界学者进 季亍貔壤论分橱工作煮实验研究王侔， ；主及在实糖中豹实酥应用等：同时作为衔接，将 博士论文敷设粘弹性阻尼的板和加筋板的振动机理研究川的主要内容也做了介绍。 1 1 1 粘弹性材料和高阻尼合金材料简介潮 艨谓糖弹性是撵羁踺具有粥往窝糕梭嚣穆不阋辍瑾瓣形变，练台缝 搴蠛糕蛙谶髂 和弹性固体两者的特性。塑料、橡胶、陶瓷、混凝土等工业材料尊口岩石、： 二壤等地质 茸葶料鞋及腿建、壶液等生甥耪j | 萼均兵毒糖弹性挫震。徨由予裹分予聚套貔主娶跫 橡胶豢和塑料髅材料一一的粘弹性性质特别突出，因而被称为粘弹性材料。 濑小两麓肇的钝学零元( 锻节) 构成长链分子，分子秘势子之阉菝靠诧学键鼗物 理缠结相互造接起来。在三维方向上如树枝状地联成三维分子网，成千上万个分子共 聚或缩聚恧戏舞分子聚会耪。离分子聚套物鲍分予之间缀容易产生摆对运旗，分子浅 部的化学单元也能自由旋转，闲此，受刹外力时，曲折状的分子链会产生挝伸、扭曲 等变形。另一方蟊，分子之间的链段会产生相对攒移、扭转。当外力除后，变形的分 子链臻恢复原位分予之闻的相对运动也会部分复原，释放外力所做的功，这就是粘 弹材料的弹性；但分子链段阈的滑移、扭转不能蹇全复原，产生了永久性的变形，这 就是粘弹材料的粘佳。这一部分所傲的功转变为热能，耗散于周围环境中，这就是牯 弹材料产生阻尼的原陶。由于这种材料微观结构上众多的耗能环节，在适当的温度及 频率条件f ，承受交交斑力对会有狠大的耗能效戚，网此，这是种最常觅的阻尼材 4 l 海交通火学博士后研究报告 求q 。 阻尼台金是指具有高阻尼的合金材料。一般阻尼粘弹性材料的杨氏模量约为 1 0 7 m2 ( 指玻璃态转变温度附近) ，而阻尼合金的杨氏模最约为1 0 “1 1 1 2 左右， 高山四个数茸级。但是，阻尼台金的损耗因子则在o 0 5 0 1 5 之间，最高可达o 3 0 与粘弹性材料相比，低一个数量级。在大多数情况r ，阻尼合金的损耗因子及杨氏模 鼙爿：不随温度及频率变化，少数材料例外。 1 1 2 阻尼形式 根据实际需要的不同，结构粘弹性阻尼的敷设可以有如下几种形式3 】： 一、自由阻尼层敷设( 如图1 1 ( a ) 所示) ：直接将粘弹性材料粘贴或喷涂在需要 减振的结构元件的表面上，利用阻尼层的交互式变形消耗能量。 二二、约束阻尼层敷设( 如图1 - 1 ( b ) 所示) ：在阻尼层外再加一层约束层( 弹性层) ， 利川阻尼层的剪切变形消耗能量。 三、多阻尼层敷设( 如图1 1 ( c ) 所示) ：结构中有多层阻尼层。 四、不连续阻尼( 局部阻尼) 敷设( 如图1 - 1 ( d ) 所示) ：图中所示是不连续的自 由阻尼层敷设，当然也可以是不连续的约束阻尼层敷设 ( a ) ( c ) z 乙刁粘弹性阻尼材料层 ( b ) 匠羽z 乙习 ( d ) 口弹性层 图i 1 阻尼层形式 文献 4 提出了阻尼梁的处理形式( 如图1 - 2 ( a ) 所示纯阻尼粱形式和如图1 2 ( b ) 所示阻尼粱和弹性梁相间形式) ，对于高阻尼合金材料而言，这种形式是可行的。对于 船舶外壳、舱壁和甲板等结构而言，采用这样的阻尼处理形式，有如下优点： ( 1 ) 不影响船舶外壳形式，这就不存在影响船舶阻力的问题。 ( 2 ) 加工、安装简单。而采用阻尼层处理，尤其是约束阻尼层处理，加工、安装 j ：艺是很复杂的。 ( 3 ) 可靠、耐久。由于船舶是在水介质中行进的，因此对于自由阻尼层而言，存 在着腐蚀以及时间长了表层老化脱落的现象；丽筋梁是位于壳体内部的，因此不存在 这个问题。 第一章粘弹性阻尼减振技术 可 ( a ) 图1 - 2 阻尼粱处理形式 在实际应用中，阻尼减振技术经常与其他减振技术( 如隔振、吸振等) 相结合 以求最佳的减振效果。 1 2 阻尼技术在我国船舶结构减振降噪中的应用 1 2 1 理论分析 敷设粘弹性阻尼材料的结构分析，在理论上就是弹性粘弹性复合结构的分析。 李天匀等利用导纳方法研究了l 型加筋板在外载作用下的输入振动功率流和传递 振动功率流，在源板上均匀加有粘弹性肋骨，分析了肋骨数目的影响【5 】；还对局部敷 设粘弹性材料的组合l 型板的振动功率流进行了研究【6 1 。王宏伟等7 1 则研究了同样形 式加筋板的自由振动。文献【8 】利用格林函数对由约束阻尼层粱构成的浮筏隔振系统的 振动功率流进行了研究。文献 9 】用统计能量分析法研究了弹性一一粘弹性复合板的模 态密度，得出自由阻尼层板和约束阻尼层板的模态密度随阻尼层厚度和温度的变化规 律。骆东平等”川采用f l u g g e 壳体理论研究了敷设自由层粘弹性阻尼材料的环肋枉壳 受周期性径向激励的稳态响应，讨论了粘弹性阻尼材料的物理参数、厚度、敷设形式 和水深对响应的影响。陈炜等【”】贝对同样形式的环肋柱壳的声辐射进行了分析，研究 了表面敷设粘弹性阻尼材料对声辐射的影响。文献 1 3 1 根据无限大弹性体和粘弹性体 的波传递理论对水下和空气中含流体夹层的弹性粘弹性复合板的隔声性能进行 了研究。 有限元技术是当前结构分析的一个重要手段，是工程上广泛采用的数值计算方法。 文献【1 4 】对八、九十年代粘弹性阻尼结构动力问题的有限元方法的研究成果进行了综 述，对复台单元、粘弹性剪切模量的选取形式、复合结构动力学方程以及结构分析进 行了论述。 对结构进行有限元分析，首先需进行网格剖分，形成单元矩阵。弹性一粘弹性 复合结构的单元矩阵的形成一般有两种方法。种是分别形成每层的单元矩阵，然后 叠加形成复合单元矩阵。孙社营【l 在分析自由阻尼层结构时，阻尼层采用的是六方体 元，基层采用的是四方板元。另一种是根据结构的实际变形情况直接构造复合单元， 一般用于约束阻尼层单元。沈顺根等采用v o i g e t k e l v i n 粘弹性材料力学模型和等参 元法推导了约束阻尼层的刚度矩阵。文献 1 7 1 将夹层板等效为各向同性板，再根据夹 层板的正应力、正应变和剪应力、剪应变沿板厚的分布关系，得到夹层板的弯曲、剪 6 上海交通= ；l ；= 学博士后研究报告 切修正系数。对于具有粘弹性夹层的夹层板。可以避免求解复特征值问题。为工程计 算提供了一种简便的有限元分析方法。 文献1 8 依据戍变能理论，应用有限元法对板阻尼结构进行多种方案的优化设计， 以求取粘弹性阻尼复台板的结构频率和阻尼系数。文献 1 5 】研究了粘弹性阻尼处理的 | f _ j 压筋板的模态参数，并与试验结果进行了比较。张升明等【19 】应用流体边界元法和 结构有限元法研究了阻尼参数对水中板架结构声辐射的影响，结果表明：阻尼增大 可以有效地降低噪声；薄板上的阻尼降噪效果好于厚板上的阻尼降噪效果。谭林森等 ”基丁壳体水弹性理论研究阻尼对潜水器动力舱频率响应和声辐射的影响，结果表 明：阻尼对频率响应影响较火，敷设阻尼材料降噪效果显著。沈顺根等 2 1 2 2 对禽带有 粘弹性阻尼处理筏架的多层隔振系统的振动传递及声辐射进行了研究。文献f 2 3 通过 对减振元件厚度与结构损耗因子及减振效果的理论分析与试验研究，找到了它们之间 的相互关系，减振元件厚度的增减降直接影响减振效果。文献【2 4 】根据j z 2 0 2 m u q 平 台结构的冰振反应特点和平台结构实际容许的空间，提出了粘弹性耗能器在平台结构 中的设置方式，分析了不同方式设置粘弹性耗能器的平台结构动力特性。 粘弹性材料的力学性能是很复杂的，受频率、温度等因素的变化而变化。文献f 2 5 基丁粘弹性阻尼层的随机性用m o n t ec a r l o 直接抽样、法对自由阻尼层板的振动和阻尼 进行了分析研究，结果表明，粘弹性材料弹性模量的随机性对结构固有频率的影响不 人，对模态损耗因子影响较大 不论是整体的还是局部单元的，阻尼层厚度的随机性 对模态损耗冈子的影响很显著。因此粘弹性阻尼层的随机性对抑制结构共振响应和声 辐射的影响是较大的。阻尼层厚度局部单元随机性的影响表明了对阻尼结构采用随机 分析的必要性。 张效慈2 “2 7 1 进行了水下航行器壳体减振降噪贴敷层的研究，并介绍了最近儿年国 际上对这方面的研究动态和趋向；研究柔性面降噪的特性参数，柔性面主要用于降 低船体的水动力噪声。 1 2 2 试验研究和实际应用 洛阳船舶材料研究所对阻尼材料进行了诸多的试验研究。文献【2 9 】研究了s a 3 型 高阻尼粘弹性材料的性能，该材料具有较高的损耗模量和损耗因子，以该材料为基础 制造的隔声材料的隔声性能也较好。文献【3 0 】对高阻尼合金的减振降噪性能进行了论 述，并指出了其在潜艇螺旋桨等结构上的应用。文献【3 l 】和文献 3 2 介绍了高阻尼铝合 金层压复合材料板的阻尼特性。文献【3 3 论述了两种用于船舶管系隔振的穿孔阻尼胶 扳。文献 3 4 】分别测试了四种阻尼能力不同的钢板在不同撞击能量f 的声级水平，结 果表明，铁基高阻尼合金板材的撞击声级远低于低碳钢的撞击声级。文献 3 5 】研究了 稀七元素c e 对m n c u 台金阻尼性能的影响。 孙社营p 6 针对局部阻尼处理和全部阻尼处理的船用加筋板进行了试验研究，考察 7 第一章精弹性驻尼减振拽零 了粘弹性阻尼处理对压筋扳动态力学性能的影响以及抑制结构共振响应及宽频振动的 有效性。任润桃通过对试验数据的计算机模拟，研究了约束阻尼结构、多层阻尼结构 彝不同疆惩耪辩黠疆愿蜂移动夔影跨1 3 7 ；还黠d a m 笈会型疆燕吸声穷琵援熬啜声缝 能进行了研究9 ”。孙培林肆f ”3 对声学材料阻尼性能弯曲批撮试验方法进行了研究。玛 玉璞1 对s a w 型阻尼吸声失劈进行了研究。在航行体表面涂覆特种复合材料以降低 航行体阻力和噪声，可娃提裹航行体的靛速和自导作用距离，文献【4 l 】遴毒亍了低袭凝 能涂层降低流体噤声酌试验研究。文献 4 2 1 研究了疆怒对复台结掏黼声效果朗影稍。 林颐水( 4 3 j 对高速水流冲刷区阻尼降噪结构进行了研究，分别对单约束阻尼结构、烈熏 约束阻尼缩鹣 以及船底授模型进行了试验，结果表明，双重约束阻愆结构既可有效地 挣裁缝捣豢确镌瘟耪声辐瓣，又可壤弱怒速承漉怼蘸鞫豹终蠲力。 文献( 4 4 】论述了高阻尼性能的c u - a 1 一b e 形状记忆念鑫在舰艇螺旋桨上减振降噤的 试验研究成果。海上实艇性能试验表明，2 3 1 0 合金浆比铜桨可提高航速，又可减振降 噪f 4 ”。文献【4 6 】奔绍了热辩性马氏体c u a i b e 系( 代譬9 1 1 0 ) 新型专鼹螺旋桨台金在 降噪效栗方蕊的试验磺究成果。文献f 4 7 j 奔缮了螺旋熊潮z h g h 2 3 糟府阻尼合金，实 船试验表明，该合金螺旋桨比铜合金螺旋桨噪声有较大幅度降低。文献4 8 叙述了 t 4 5 t 6 0 船用阻尼涂料在浆型快艇减搬降噪设计中的应恩情况；模溅试验和实艇测试 建嚣表明转铫；秘翊t 4 5 t 6 0 麓爱疆霪涂瓣遴 亍整嚣毽蝣续稔霸条形嫩恁缝稳稳臻含瓣 办法，在有效控制重量的同时，能有效地控制振动能凝的传递。 某远洋测孱船的主机、齿轮箱及浮筏的船体机座表谢采用了约束阻尼处理f ”。5 “5 ”。 在菜远洋测量蟾的主极、壤轮耱基本瓣缴向蕨板、内外黯板取双层嶷区域采用7 双露 约柬阻尼处理形式p ”，采翊双层9 0 5 0 藏约束阻尼复含结鞫，对基扳较厚的结构来说 是一种比较好的阻尼处理形式，无论魁由噪声激励，邂是正弦激励，无论是底板上的 响应值，还是从传递函数姻线分析，都照示出了比较明显的减振效粜。为降低柴油枧 g 起的1 2 缀夔蛰抉糕静驾驶室噪声，在绩梅设计串，驾驶室与主帮粳之闰臻糖辫性 阻尼层隔绝i “j 。小型高速艇的舱室也采用了约束阻尼的减振降噪处理方式” 。某艇在 主机座上，在舵机舱、三赡舱、前后机舱水线以下的船体上，声纳舱周围均敷设了阻 尼钢板【5 “，试验涯明，袋爝阻是钢叛毒效堍抻铡了结构噪声、搀联了以二次声为主懿 舱室噪声并艇掷稍了觏瓣酌自臻声。文献【5 7 提出妥j 阻尼台金梧料作为中翔枫座，利 用阻尼合垒的减振性能米降低船舶动力机械传递至船体的结构噪声，采用动力机械年 船体结构的模型装置测试了阻尼合金机鹰盼减振特性。文献【5 8 】论述了舰船用阻尼涂 褥在照雨鳎装工艺中器会溪瘦爱。濒藏鼓0 l 号采致了森主辊与橇痉之润和萁毪设簧辊 座下面加阻尼钢板的减搬措施口”。 1 2 3 简评 阻尼技术是解决工程串的振动和臻垮闽题静一个十分有效的技零，阻尼的合糕使 8 上海交通大学博士后研究报告 川能够在相当宽的频带内有效地抑制结构的振动和噪声。当前阻尼技术己广泛应用于 实际一科中，本节沦述了阻尼技术在我国船舶结构减振降噪中的应用。 敷设粘弹性阻尼材料的结构分析，在理论上就是弹性一一粘弹性复合结构的分析。 当前的理论研究人多是模态和动力响应分析，声辐射研究还较少。洛阳船舶材料研究 所对高阻尼合金材料进行了诸多的试验研究，主要是针对螺旋桨_ 【 材料。阻尼减振降 噪技术在实船中的应f ； j 是很多的，这里仅列举了在刊物中发表的例子。 通过上面的分析，笔者认为： 1 ) 、相对而肓，理论分析：j ：作还显得较薄弱还有待于进一步的分析与探讨，尤 其是水声方面的理论研究。 2 ) 、力学研究和材料研究廊该有机地结合起来，以期取得更人的成果。 1 3 博士论文已进行的研究工作 l 尊十论文敷设粘弹性阻尼的板和加筋板的振动机理研究对弹性一一粘弹性复 合结构的动力学问题进行了一些研究，这里对其中的主要内容做一介绍。 一、基于当前比较实用的计算方法一有限元法，对弹性一一粘弹性复合结构动 力分析问题进行了综述。重点是介绍了八、九十年代的一些研究成果。同时也概略地 介绍了单一粘弹性结构动力学分析的有限元方法。对当前的研究成果进行了总结和展 望。 二、对单一粘弹性结构有限元动力学方程和弹性一粘弹性复合结构有限元动力 学方科进行了探讨。对丁粘弹性结构有限元动力学方程，研究了表示成m c k 形式的 可能性，在所讨论的四种典型模型中只有k e l v i n v o i g t 模型可以直接表示成常规的 m c k 形式，阻尼矩阵e j 是常数矩阵；利用l a p l a c e 变换的卷积性质得到了1 2 阶三参 数分数导数模型粘弹性结构时域的有限元方程。在弹性一粘弹性复合结构有限元动 力学方程的探讨中，根据对阻尼的假设，尝试性地给出了考虑弹性材料内部粘性阻尼 及结构外部粘性阻尼的拉氏域内弹性一一粘弹性复合结构动力学有限元方程。 三、基丁_ 粘弹性材料的随机性用m o n t ec a r l o 直接抽样法对粘弹性结构频率、阻 尼和简谐响戍进行了分析。 在频率和阻尼的分析中，相对于其它参数而言，泊松比的影响是小的。在所讨论 的三种模型中，模型的随机性对频率的影响是一样的。模型的随机性对模态损耗因子 的影响分两种情况，常复数模型时对模态损耗因子的影响与对频率的影响是相同的， 而，t i 实模量仅影响频率，材料的损耗因子仅影响模态损耗因子；频变模型时( 包括 k e l v i n v o i g t 模型和三参数标准流变学模型) 对模态损耗因子的影响远大于对频率的 影响，变异系数是3 倍的关系，而且模态损耗因子的变异系数已经大于模型的变异系 数。 9 第一章粘弹性阻尼减振技术 以单自由度系统为例，考察了材料的随机性对简谐响应的影响。具有结构阻尼的 单自由度系统在简谐激励力作用下的强迫振动响应振幅为 x = 1 产垒亍一 ( 1 1 ) ( 1 一卢2 r + 矿 式中x ，= f m m 2 是系统在力f 作用下所产生的静位移；= 0 3 f 是激励圆频率 与无阻尼系统固有圆频率之比。考察了参数叩和卢的随机性的影响，卢的随机性实际 上就是由于e 和等的随机性导致珊是随机的所造成的。7 7 的随机性所引起的d ( x x ；) 的最大值处于p = l 处，即共振区处，而且m a x ( 8 w 工；) ) m 占白) 。卢的随机性所引起 的占( 以，) 的最大值则不位于共振区，并且随玎值的增加而远离共振区，且 m a x ( 6 _ ) ) 随玎值的增加而减小；在所讨论的几个r 值的情况下，都存在 m a x ( 6 w t ) ) 2 6 ) 。 研究表明粘弹性材料参数的随机性对粘弹性结构的动力学性质影响还是比较大 的，尤其是对结构模态损耗因子和简谐响应的影响。 四、基于粘弹性阻尼层的随机性分别对自由阻尼层板的频率、模态损耗因子以及 简谐激励作用下结构的稳态响应进行了分析。与确定性分析相比，随机性分析给出了 变量在均值附近的扰动，更接近于问题的真实性。 通过对复合结构振动特性的分析可以看到： ( 1 ) 由于粘弹性材料与弹性材料的弹性模量数量级相差较大，因此粘弹性材料弹 性模量的随机性对结构固有频率的影响不大，尤其复模量虚部的随机性对结构固有频 率的影响是微乎其微的。当粘弹性材料的弹性模量较大时，则对复合结构的固有频率 是有影响的。 ( 2 ) 复模量实部的随机性对结构固有频率的影响随阻尼层厚度的增加而增加，如 式( 1 - 2 ) 和式( 1 - 3 ) 所示，固有频率变异系数的比值与( h ，2 日。) 及( ，2 r ，) 成幂函数关系。 ( 日。) 2 一 m z ， “) 2 5 m ， y = h ，- 。是阻尼层与弹性基层的厚度比。 ( 3 ) 模量中影响模态损耗因子的主要因素是虚部的随机性。复模量虚部反映了材 料耗能的绝对能力，而材料的损耗因子所反映的是材料耗能的相对能力。 ( 4 ) 模量中实部的随机性对模态损耗因子的影响随阻尼层厚度的增加而增加，模 态损耗因子变异系数随阻尼层厚度的变化规律与固有频率变异系数相同，在定厚度 t , g 态损耗因子的变异系数是固有频率变异系数的两倍。 ( 5 ) 粘弹性材料泊松比的随机性对同有频率的影响微乎其微。 1 0 二海交通大学博土后研究报告 ( 6 ) 在粘弹性层与弹性层厚度比较小时，粘弹性材料泊松比的随机性对模态损耗 洲，的影响是有的：如果泊松比的变动范围较大，则这种影响是不戍忽略的。 ( 7 ) 泊松比的增减导致频率和模态损耗冈子的增减幅度是不一样的。 ( 8 ) 阻尼层厚度作为整体性随机变量时，其对模态损耗因子的影响是显著的。高 j 复模量虚部随机性的影响。 ( 9 ) 阻尼层厚度作为局部单元性随机变量时，模态损耗因子的变异系数是很可观 的这表明对阻尼结构采取随机分析是非常必要的。 ( 1 0 ) 阻尼层厚度的随机性对j 司有频率的影响远大于复模量随机性的影响。 通过对复合结构简谐响应的分析可以看到： ( 1 ) 参数随机性对振幅的最大影响发生在共振频率处，而且影响是很火的，e ，、 ，7 随机性所引起的振幅变异系数接近于基本随机变量的变异系数。而t 。随机性所引起 的振幅变异系数则已经是二倍的关系了。 ( 2 ) 参数随机性对相位差的最大影响也可认为是发生在共振频率处。 ( 3 ) 可以认为非共振时，参数随机性对振幅和相位差的影响都不大。 ( 4 ) 无论是共振还是非共振，t r 的随机性对振幅的影响都大于b 、叩随机性的 影响。 ( 5 ) 三种情况f ，振幅的均值基本上一样。 通过分析可见，粘弹性阻尼层材料参数和几何参数的随机性对自由阻尼层板的固 有频率、模态损耗因子以及简谐激励作用f 结构的稳态响应的影响都是很大的。对复 合结构采取随机结构分析对评估利用粘弹性阻尼材料进行减振降噪的效果的可靠性具 有重要的指导意义。 五、基于夹层板的应力、应变沿厚度方向变化的一些假设，提出了计算夹层板频 率币i 阻尼的简化有限元方法，该方法对于厚薄夹心都适用。对于粘弹性夹心的夹层板 即约束阻尼层板，采用本方法可以使问题的求解得到简化。对于常复数模型而言，它 避免了求解复数特征值问题；对丁 其它频变模型而言，则避免了求解高次特征值问题。 从计算精度上看，固有频率的计算结果与分析解的结果吻合得还是比较好的，是能够 满足t 程需要的；而模态损耗因子的计算结果则稍微差一些。应该说是为工程近似计 算提供了一种简便的计算方法。 但本方法计算所得到的结构各阶模态损耗因子是一样的，这与实际情况是不相符 台的，冈此有许多。l ：作还有待于进一步的研究。 六、分析了粘弹性阻尼处理的加筋板的振动；rj 阻尼特性以及对稳态简谐响应的控 制作心。考察了在加筋板结构上加自由阻尼层、加粘弹性筋粱、弹性梁换为粘弹性粱 以及自由阻尼层十粘弹性粱四种情况，分析了粘弹性阻尼材料模量、损耗因子、阻尼 层厚度以及粘弹性梁剖面尺寸的影响，并对四种阻尼处理情况进行了比较，结果表明， 不同的阻尼处理方式所起的作用是不一样的，合理地处置加阻尼的方式会得到较好的 减振效果。结构的幅频特性表明，粘弹性材料能够有效地控制结构的共振响应。对设 置粘弹性筋梁的详尽探讨，拓宽了以减振降噪为目的的加筋板的粘弹性阻尼敷设方式。 第一章粘弹性阻尼减振技术 七、根据相同子结构串系数矩阵的特点，研究了直接求解线性代数方程组的方法。 并将之应用于计算结构动力响应的直接积分法。数值计算结果表明，利用子结构串式 结构系数矩阵的特点，大大缩减了计算时间。并就子结构数目和积分步数等进行了探 讨。 参考文献 1 桂洪斌敷设粘弹性阻尼的板和加筋板的振动机理研究大连理工大学博士论文，2 0 0 1 2 戴德沛等阻尼技术的工程应用北京，清华大学出版社，1 9 9 1 3n a k r abcv i b r a t i o nc o n t r o lw i t hv i s c o e l a s t i cm a t e r i a l ss h o c kv i b d i g 19 7 6 ，8 ( 6 ) ：3 12 4 桂洪斌敷设粘弹性阻尼的板和加筋板的振动机理研究大连理工大学博士学位论文，2 0 0 1 5 李天匀等l 形加筋板结构的导纳功率流研究振动工程学报，1 9 9 7 。1 0 ( 1 ) ：1 1 2 7 6 李天匀等有不连续材料层的组合板结构振动功率流研究声学学报，1 9 9 7 ，2 2 ( 3 ) ：2 7 4 2 8 l 7 王宏伟，赵德有用解析法研究l 型加筋板的自由阻尼振动振动与冲击，2 0 0 i ，2 0 ( 2 ) ：3 5 3 8 8 李天匀等浮筏隔振系统振动功率流研究信息与开发，1 9 9 6 ( 1 ) ：1 2 1 5 9 王宏伟，赵德有弹性牯弹性复合板模态密度研究大连理工大学学报，2 0 0 1 ，4 1 ( 1 ) ：8 i 8 4 10 骆东平等阻尼材料对环肋柱壳稳态响应影响的分析振动工程学搬，1 9 9 5 ，8 ( 3 ) ：2 5 8 2 6 3 1 1 李鸿芬骆东平自由层阻尼环肋柱壳在流场中的稳态响应，中国造船，1 9 9 6 ( 2 ) ：6 0 7 0 12 陈炜等敷设阻尼材料的环肋柱壳声辐射性能分析声学学报，2 0 0 0 ，2 5 ( 1 ) ：2 7 3 2 1 3 王宏伟，赵德有含流体夹层阻尼复合板隔声性能研究大连理工大学学报，2 0 0 0 ，4 0 ( 4 ) ： 3 9 5 3 9 8 1 4 桂洪斌，赵德有等桔弹性阻尼层结构动力问题有限元分析综述，振动与冲击，2 0 0 1 ，2 0 ( i ) 4 4 4 7 15孙社营阻尼压筋板的动态力学性能研究噪声j 振动控制，2 0 0 0 ( 2 ) ：1 9 2 3 1 6 沈顺根等粘弹性线性复合结构动力特性分析中国造船1 9 9 6 ( 2 ) ：4 4 5 2 1 7 桂洪斌，赵德有等夹层板振动的简化有限元数值分析，大连理工大学学报，2 0 0 0 ，4 0 ( 5 ) ： 5 8 6 5 8 8 l8 王正必等 19 张升明等 2 0 谭林森等 2 1 沈顺根等 4 9 6 0 2 2 沈顺根等 粘弹性阻尼材料在板结构中的优化计算噪声与振动控制。2 0 0 0 ( 6 ) ：1 8 2 1 板架结构的振动噪声研究噪声与振动控制1 9 9 5 ( 5 ) ：9 1 3 潜水器动力舱振动与声辐射华中理工大学学报，1 9 9 9 ，2 7 ( 1 1 ) ：7 9 带有复合结构的多层隔振系统振动传递及声辐射研究船舶力学，l9 9 7 ，j ( 2 ) 带有复合结构的多层隔振系统振动传递及声辐射研究中国造船1 9 9 7 ( 3 ) ：4 9 5 9 2 j 二海交道大学博士艏研究撤错 2 3 2 4 2 s 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 + 3 1 3 2 孙臻辑+ 阻麓台金减振元静嚣度与减箍效果研究，舞动、测试与渗錾，1 9 9 5 ，1 5 ( j ) ：5 7 6 t 欧址萍磐设置粘弹性耗能器的j z 2 0 m 2 m u q 平台结构冰搬控制海洋平台，2 0 0 0 ，i 8 ( 3 ) ： 9 - 1 4 持泱斌赵德有等接于粘弹性阻尼崖随机性的自由阻尼腻板的振动和阻尼分析船舶力学t 2 0 0 l ：5 ( 2 ) ：6 2 7 2 。 张效慈潜器的随彳于波减阻降噪贴敷崖船舶力学，2 0 0 1 ，5 ( 2 ) ：1 4 张散憨，零下航行耩减隧撵壤贴敷层瓣磷宠魂囊，中蚌麓靛辩拄。2 0 0 0 ( 1 ) ：1 - 3 张敞慈粱性面降噪的特性参数第九桶船舶水下噪声学术会议讨论套论文集( 苏州) ，2 0 0 3 1 5 7 一1 6 1 _ ”：新志婷s a 3 型商m i 尼粘弹性材料材料开发畸应用。1 9 9 2 ，7 ( 4 ) ：9 1 4 1 - 政红+ 瘫阻尾台惫簌t 程t 的瘟用辩辩开发与成鼹。1 9 9 6 ，1 t 6 ) ：4 3 4 6 张迎，c 两眦尼铝台金层压板的内耗峰及其阻尼机制材料开发与廊用，2 0 0 1 ，1 6 ( i ) ：1 6 张迎元 甥阻尼锚食盎层压复合材辩阻尼特性和王程应用研究。船舷王程，1 9 9 7 ( 5 ) ；2 9 4 3 1 5 5 3 3 ，常冠军等+ 船舶管累减振梯睾尊的应用研究材料并发与应用+ 1 9 9 8 + 1 3 ( 1 ) ：2 3 2 7 。 3 4 张俊旭等铁基高黼尼合金授材韵撞崭声级特性材料开发与碰用，1 9 9 2 ，7 ( i ) ：1 0 2 0 3 5 雷运涛替+ 稀士元綮c e 对m n c u 台金姒尼性能的影响材料开发与崩用。1 9 9 9 。1 4 ( 6 ) 1 4 3 6 孙社营船用疆簦授豹粘弹能阻尼赴理噪声与攮动控制，t 9 9 9 ( 3 ) ：2 5