金属空心球复合材料点阵夹芯结构的振动特性研究.pdf

金属空心球复合材料点阵夹芯结构的振动特性研究

摘要

当今世界格局错综复杂，国家领导人站在全局和战略高度，对我国海洋事业做出

重要论述，要求进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，推动“海洋强国建设”不断

取得新成就。经略海洋，装备先行。目前，水下航行器采用传统甲板平台，其结构存

在重量大、占空间、阻尼小、与艇体结构刚性连接、不利于隔振和减振设计等问题，

本文借鉴了一种新型的轻质高阻尼智能一体化减振平台概念方案。该新型减振平台由

纵横交错的点阵夹芯梁、梯度点阵夹芯梁和面板组成，其主要受力部分为梁，梁采用

轻质、高阻尼的金属空心球复合材料作为其主体材料，本文对这种金属空心球复合材

料点阵夹芯结构进行振动特性研究，提出了一种统一的方法来研究金属空心球复合材

料点阵夹芯结构在各种边界条件下的自由振动特性。主要内容如下：

（1）金属空心球复合材料的力学性能分析。根据Hertz接触理论，计算了金属空

心球的折减弹性模量，将金属空心球等效为实心球，利用Ansysapdl建立了球体随机分

布的复合材料模型，通过拉伸数值模拟计算出金属空心球复合材料的等效弹性模量和

泊松比，并研究了金属空心球的占比对材料力学性能的影响。

（2）点阵夹芯梁的振动特性研究。将点阵夹芯梁简化为层合梁，通过在梁的两端

设置平动弹簧和扭转弹簧来模拟了任意边界条件，运用位移、应力、应变表达式求出

梁的动能和势能，然后，将点阵夹芯梁的位移函数扩展为改进的傅里叶级数表达式。

在此基础上，将位移函数的未知级数系数作为广义坐标，用瑞利-里兹法求解。通过与

已有文献、数值模拟、试验的比较，验证了此方法的正确性。最后，研究了边界条件、

板厚、芯高、半径、桁架倾角和阻尼等对任意边界条件下点阵夹芯梁固有频率的影响。

（3）梯度点阵夹芯梁的振动特性研究。将梯度点阵夹芯梁简化由上下板和材料属

性沿横向呈梯度变化的中间层组成的等效层合梁，采用上述相同的方法计算出梯度点

阵夹芯梁的固有频率，通过与数值模拟的比较，验证了此方法的正确性。研究了边界

条件、板厚、芯高、梁长、梯形芯子形状等几何参数对固有频率的影响。

（4）金属空心球复合材料点阵夹芯结构的振动特性研究。将钢材、铝材、金属空

心球复合材料三种不同材料的点阵夹芯结构在不同边界下进行振动特性研究，最后分

析了金属空心球占比不同情况下，金属空心球复合材料点阵夹芯结构的振动特性。

关键词：金属空心球复合材料；点阵夹芯结构；振动特性；任意边界条件

金属空心球复合材料点阵夹芯结构的振动特性研究

Abstract

Intodayscomplexworldpattern,nationalleadershavemadeimportantdiscussionson

ChinasMarinecausefromanoverallandstrategicperspective,callingforfurtherattentionto

theocean,understandingoftheocean,andmanagementoftheocean,andpromotingnew

achievementsin“buildingamaritimepower”.Thesea,equipmentfirst.Atpresent,the

traditionaldeckplatformisusedforunderwatervehicles,anditsstructurehassomeproblems

suchasheavyweight,spaceconsumption,lowdamping,rigidconnectionwiththeboat

structure,whichisnotconducivetothedesignofvibrationisolationandvibrationreduction.In

thispaper,a