带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法技术

本发明专利技术提出了一种带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法，其包括内壳、外壳和多个肋板，多个肋板间隔设置在内壳和外壳之间，肋板的两端分别与内壳及外壳焊接；还包括多组设置在相邻两个肋板之间的微结构胞元，微结构胞元包括第一细杆、第二细杆和质量点，质量点分别与第一细杆和第二细杆的一端相连接，第一细杆和第二细杆远离质量点的一端分别与相邻两个肋板相对的一面固定连接。本发明专利技术采用的细杆

【技术实现步骤摘要】
带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法


[0001]本专利技术涉及船舶
，尤其涉及一种带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法。

技术介绍

[0002]目前，水下航行器普遍采用双层壳体结构，双层壳体结构包括位于内部的内壳和位于外部的外壳，内壳和外壳之间通过该多个实肋板进行焊接为一体，相对于单层壳体结构，双层壳体结构能够更好的保护内部壳体不受损伤。
[0003]目前壳体结构的减振方式有几种：一种是对振源减振，如对壳体结构上安装的机械动力设备加装隔振系统(如隔振器、气囊隔振器、浮筏架等)，降低机械设备振动传递到壳体上的振动，但是这种方式对振源设备的激励特性(尤其是频谱分布特性)不会产生太大影响，只是局部频段的峰值削减；二是对壳体进行加强，如壳板增厚或增加加强筋等，这种方式会导致结构重量明显增加，且对激励源的振动特性不会有影响，低频段的减振效果存在巨大挑战。
[0004]如公开号为CN111806622B的中国专利公开了一种带有减振功能的水下智能双层壳体结构，它是通过在外壳的内表面安装压电传感器检测外壳的振动，在外壳的外表面安装压电作动器对外壳的振动进行控制，进而可实现水下双层壳体结构振动的主动控制。上述方式虽然一定程度上可以进行低频段减振，但在外壳和内壳表面需要安装大量的电气元件，需要完全依赖于电能来转换成机械能实施减振，可调节性差。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出了一种带有减振功能的水下航行器壳体及壳体减振优化方法，可针对性的调节壳体结构中声波传播特性，对低频减振具有良好优势。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种带有减振功能的水下航行器壳体，其包括内壳、外壳和多个肋板，所述外壳位于所述内壳的外部，多个肋板间隔设置在内壳和外壳之间，肋板的两端分别与内壳及外壳焊接；
[0008]还包括多组设置在相邻两个肋板之间的微结构胞元，所述微结构胞元包括第一细杆、第二细杆和质量点，质量点分别与第一细杆和第二细杆的一端相连接，第一细杆和第二细杆远离质量点的一端分别与相邻两个肋板相对的一面固定连接。
[0009]在上述技术方案的基础上，优选的，所述微结构胞元沿壳体环形及轴向设置有多个。
[0010]在上述技术方案的基础上，优选的，所述内壳、外壳及相邻肋板之间填充有聚氨酯材料。
[0011]另一方面，本专利技术提供了一种壳体减振优化方法，利用了所述的带有减振功能的水下航行器壳体，包括步骤如下：
[0012]S1、对壳体结构进行模态仿真分析或测试，分析壳体结构在不同方向的主模态信息，为后续工作开展减振设计提供设计输入；
[0013]S2、根据减/隔振理论，以壳体结构的模态振型以及模态频率特性为依据，确定声子晶体微结构的设计固有频率，为微结构胞元的具体参数设计提供设计输入；
[0014]S3、根据固有频率设计输入，依据弹簧振子系统的固有频率计算公式，设计合理的细杆及质量点的系统参数，根据壳体空间尺寸限制、质量最小以及部件的加工便利性等条件筛选设计方案；
[0015]S4、生成微结构胞元布置方案，根据壳体结构的主模态或者关键模态的振型信息，将微结构胞元布置在振型中壳体结构变形较大的地方。
[0016]S5、加工构件，并进行整体组装构成壳体。
[0017]在上述技术方案的基础上，优选的，将细杆
‑
质量点组成的微结构胞元等效为弹簧振子系统k
‑
m，根据单自由度系统理论计算系统的固有频率：其中K
j
为第一细杆和第二细杆刚度共和，m
j
为质量点质量，其中j＝1,2，
…
,表示可以有多组微结构单胞。
[0018]进一步，优选的，将微结构胞元视为两个由“悬臂梁+质量点”子系统并联组成，其中悬臂梁视为第一细杆或第二细杆，子系统中的质量点的质量为m
j
/2,质量点对悬臂梁的作用力F
j
＝m
j
g/2,g为重力加速度，根据材料力学杆的弯曲变形理论，细杆一端承受F
j
的作用力，细杆的端部挠度变形为：
[0019][0020]式中，l
2j
是第二细杆的长度，E是杆材料的弹性模量，I
2j
是第二细杆横截面的惯性矩；
[0021]将细杆等效为一个弹簧，则可以借鉴弹簧的刚度定义公式K＝F/Δ，求得第二细杆结构的刚度为：
[0022][0023]将微结构胞元等效为两个并联的细杆加质量点的k
‑
m系统，根据并联系统刚度换算关系，可以得到整体的刚度：
[0024]K
j
＝K
1j
+K
2j
[0025]式中，K
1j
和K
2j
分别为第一细杆及第二细杆的等效弯曲刚度。
[0026]更进一步，优选的，根据结构振动理论，当激励频率在结构固有频率附近时，结构将发生共振，结构振动将产生剧烈振动，振动能量非常高，通过控制微结构的共振频率，实现局域共振耗散振动能量，减小主体结构的振动，并且可以实现一定的禁带特性，阻断结构部分频段波的传播，实现良好的减振降噪。
[0027]优选的，壳体中可以根据调控频率段需求，设计多组k
‑
m系统微结构胞元。
[0028]本专利技术相对于现有技术具有以下有益效果：
[0029]1、本专利技术采用的细杆
‑
质量点方式，可以进行多参数优化设计，质量可调节，且布置灵活。可以实现在较小的质量代价下，人为有针对性的调节壳体结构中波传播特性，对低
频减振具有良好优势，小尺寸微结构设计控制大波长的低频弹性波。其中，低频控制主要体现在微结构的固有频率设计，可以通过合理的胞元刚度设计实现；
[0030]2、聚氨酯材料自身具有高阻尼特性，可以吸收壳体振动能量，降低壳体振动水平；
[0031]3、聚氨酯材料包裹微结构胞元，形成新的等效声子晶体结构，其中，聚氨酯、第一细杆和第二细杆均为系统提供刚度特性，而质量点则提供质量效应，组成的声子晶体结构具有减振功能，可以降低壳体的振动。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1为本专利技术公开的带有减振功能的水下航行器壳体的平面结构示意图；
[0034]图2为本专利技术公开的微结构胞元在壳体环形布置平面结构示意图；
[0035]图3为本专利技术公开的微结构胞元在壳体内的轴向布置平面结构示意图；
[0036]图4为本专利技术公开的微结构胞元结构示意图；
[0037]图5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有减振功能的水下航行器壳体，其包括内壳、外壳和多个肋板，多个肋板间隔设置在内壳和外壳之间，肋板的两端分别与内壳及外壳焊接；其特征在于，还包括多组设置在相邻两个肋板之间的微结构胞元，所述微结构胞元包括第一细杆、第二细杆和质量点，质量点分别与第一细杆和第二细杆的一端相连接，第一细杆和第二细杆远离质量点的一端分别与相邻两个肋板相对的一面固定连接。2.如权利要求1所述的带有减振功能的水下航行器壳体，其特征在于：所述微结构胞元沿壳体环形及轴向设置有多个。3.如权利要求1所述的带有减振功能的水下航行器壳体，其特征在于：所述内壳、外壳及相邻肋板之间填充有聚氨酯材料。4.一种壳体减振优化方法，利用了如权利要求1至3任一项所述的带有减振功能的水下航行器壳体，其特征在于，包括步骤如下：S1、对壳体结构进行模态仿真分析或测试，分析壳体结构在不同方向的主模态信息，为后续工作开展减振设计提供设计输入；S2、根据减/隔振理论，以壳体结构的模态振型以及模态频率特性为依据，确定声子晶体微结构的设计固有频率，为微结构胞元的具体参数设计提供设计输入；S3、根据固有频率设计输入，依据弹簧振子系统的固有频率计算公式，设计合理的细杆及质量点的系统参数，根据壳体空间尺寸限制、质量最小以及部件的加工便利性等条件筛选设计方案；S4、生成微结构胞元布置方案，根据壳体结构的主模态或者关键模态的振型信息，将微结构胞元布置在振型中壳体结构变形较大的地方。S5、加工构件，并进行整体组装构成壳体。5.如权利要求4所述的壳体减振优化方法，其特征在于：将细杆
‑
质量点组成的微结构胞元等效为弹簧振子系统k
‑
m，根据单自由度系统理论计算系统的固有频率：其中K
j
为第一细杆和第二细杆刚度共和，m
j
为质量点...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，李钊，陈虎，曹晓明，胡旭，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：