一种基于局域共振原理的减振复合环的制作方法

1.本发明涉及一种减振复合环，更具体的是涉及一种基于局域共振原理的减振复合环。


背景技术：

2.船舶在运行过程中，其管路系统起着至关重要的作用，如流体运输和热量交换等。然而，船舶动力设备产生的振动会通过管路系统传递到船舶结构，从而影响船舶的舒适性和舰船的隐身性。因此，对船舶管路系统的动力学特性进行分析，故研究振动控制方法具有重要的实践价值。
3.声子晶体是具有弹性波带隙特性的周期性复合材料或结构，由两种或两种以上的介质组成。当弹性波在声子晶体中传播时，受内部周期结构的影响，会产生带隙现象。在带隙频率范围内，弹性波的传播受到抑制。为实现有效的管路振动控制，可将声子晶体理念融入其中，通过在管路上周期性添加局域共振结构，构建局域共振周期管路系统。这种系统利用局域共振带隙来抑制管路振动的传递。
4.现有技术中尚缺乏针对船舶管路振动的优化解决方案，传统的减振方法无法有效地降低振动传递和保持流体输送的高效性。为应对这一挑战，需要开发一种高效、稳定的局域共振型周期管路结构，具备强大的减振性能和适应性。在此背景下，本发明将针对船舶管道系统研究局域共振带隙的影响因素及其应用，以便实现高效地振动控制。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，现提供一种基于局域共振原理的减振复合环，具体方案如下：
6.一种基于局域共振原理的减振复合环，所述的减振复合环包括若干个倒梯形减振装置，所述的减振装置由上至下依次为一级金属环、一级阻尼层、二级金属环、二级阻尼层，所述的一级金属环、一级阻尼层、二级金属环以及二级阻尼层之间通过硫化进行固定连接；金属环与阻尼层组合为局域振子结构，所述局域振子结构周期性地排列包裹在管道外壁，用于减少管路系统目标频率的振动。
7.进一步的，一级金属环与二级金属环的材质为钢制，厚度为10～15cm。
8.进一步的，一级阻尼层与二级阻尼层的材质为橡胶，厚度为金属环厚度的1.5～2倍，更进一步的所述的橡胶为丁腈橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶或丁基橡胶中的任一一种。
9.进一步的，倒梯形减振装置的顶部长度为80～100cm，底部长度为40～60cm。
10.进一步的，倒梯形减振装置的梯形两边相等为等腰梯形。
11.进一步的，金属环密度为7850kg/m3,杨氏模量为2
×
10
11
pa,剪切模量为7.7
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10
10
pa。
12.进一步的，阻尼层密度为1300kg/m3,杨氏模量为7.7
×
105pa,剪切模量为2.6
×
105pa。
13.一种基于局域共振原理的减振复合环的制备方法，包括以下步骤：
14.s1、选定金属环材料及板厚：选择钢制材料作为金属环材料，具有高强度和良好的弹性模量，能够更有效地抵御振动，并将金属板厚度设置为10～15cm；
15.s2、将金属板折弯成预定的半径：根据管道的外径，将金属板折弯成相应的半径；
16.s3、选定阻尼层材料及厚度：选定橡胶作为阻尼层的材料，选择橡胶作为阻尼层材料，因其具有良好的耐久性和减振效果，并将橡胶的厚度设置为金属环材料的1.5～2倍；
17.s4：根据金属环的尺寸，将橡胶材料裁剪成相应的尺寸，将橡胶材料折弯成相应的半径，以便与金属环紧密结合；
18.s5：在金属环与阻尼层之间涂抹硫化胶，通过硫化过程，形成局域振子结构；
19.s6：根据管道的长度确定局域振子结构的数量，使之与管道系统的目标频率相匹配，将周期性排列的局域振子结构安装在管道外壁上，从而实现减少管路系统目标频率的振动效果。
20.有益效果：
21.本发明所提供的基于局域共振原理的减振复合环和制备方法具有以下有益效果：
22.(1)本发明采用了金属环与阻尼层交替复合组成的倒梯形结构作为局域振子，结构独特，减振性能优异。通过周期性排列局域振子，产生较宽的带隙，在一定频段内有效抑制弹性波的传递，相较于圆环型结构式局域振子增加了带隙宽度，并且减振频率向低频移动，实现了较宽带隙的减振效果，更加有助于消除管路系统的低频振动，从而降低低频激励源的振动。
23.(2)本发明所采用的金属环与阻尼层搭配使得减振效果显著，可以显著降低管道系统的低频振动波的传播，提高船舶的运行稳定性和舒适性。
24.(3)本发明的制备方法简单易行，便于推广应用。通过选定合适的金属环和阻尼层材料及厚度，以及合理的结构参数设计，可以优化减振性能，降低制造成本。
25.(4)本发明的减振复合环可广泛应用于船舶管路系统，实现对低频振动的有效控制，提高船舶整体性能。
附图说明
26.图1是实施例1中的一种基于局域共振原理的减振复合环。
27.图2是图1的a-a剖视图。
28.图3是实施例2制得的一种基于局域共振原理的减振复合环排列形状图(a)。
29.图4是实施例3制得的一种基于局域共振原理的减振复合环排列形状图(b)。
30.图5为实施例1与实施例2形状(a)、形状(b)的振级落差对比图。
31.附图标识：
32.1、一级金属环；2、一级阻尼层；3、二级金属环；4、二级阻尼层；5、管道。
具体实施方式
33.为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
34.实施例1：
35.图1是本实施例中的一种基于局域共振原理的减振复合环，如图1所示，一种基于局域共振原理的减振复合环，剖面为倒置的等腰梯形，所述的减振装置由上至下依次为一级金属环1、一级阻尼层2、二级金属环3、二级阻尼层4，所述的一级金属环1、一级阻尼层2、二级金属环3以及二级阻尼层4之间通过硫化进行固定连接；金属环与阻尼层组合为局域振子结构，所述局域振子结构周期性地排列包裹在管道5外壁，用于减少管路系统目标频率的振动。
36.其中，一级金属环1与二级金属环3的材质为钢制，厚度为10cm。
37.所述一级阻尼层2与二级阻尼层4的材质为橡胶，厚度为金属环厚度的1.5倍。
38.所述倒梯形减振装置的顶部宽度为80cm，底部宽度为40cm。
39.所述金属环密度为7850kg/m3,杨氏模量为2
×
10
11
pa,剪切模量为7.7
×
10
10
pa。
40.所述阻尼层密度为1300kg/m3,杨氏模量为7.7
×
105pa,剪切模量为2.6
×
105pa。
41.所述的橡胶为丁基橡胶。
42.一种基于局域共振原理的减振复合环的制备方法，包括以下步骤：
43.s1、选用10cm厚的钢制材料作为减振装置中的一级金属环1和二级金属环3，根据管道5的外径，将金属板折弯成相应的半径；
44.s2、选用丁基橡胶作为一级阻尼层2与二级阻尼层4材料，厚度设置为金属环厚度的1.5倍即15cm；
45.s3、根据金属环的尺寸，将橡胶材料裁剪成相应的尺寸，使得最终制得的减振装置的顶部长度为80cm，底部长度为40cm；
46.s4、将调配好的硫化胶均匀涂抹在金属环表面，涂抹厚度控制在0.5～1mm，以确保良好的粘结效果，将阻尼层与涂抹硫化胶的金属环对齐，紧密贴合，期间注意排除气泡以提高粘结强度；
47.s5、将粘结好的减振装置置于硫化机中进行硫化处理，设置硫化温度为150℃，时间为60min，并保持设备内的压力为1mpa，以实现硫化胶对接触面的充分渗透和固化；
48.s6、将硫化过程完成后的减振装置从硫化设备中取出，对其进行检查，确保各层之间粘结牢固未出现脱层现象，检查合格后将其套接上管路系统的对应管路。
49.实施例2：
50.图3是实施例2制得的一种基于局域共振原理的减振复合环排列形状图(a)，制备方法如下：
51.s1、选用10cm厚的钢制材料作为减振装置中的一级金属环1和二级金属环3，根据管道5的外径，将金属板折弯成相应的半径；
52.s2、选用丁基橡胶作为一级阻尼层2与二级阻尼层4材料，厚度设置为金属环厚度的1.5倍即15cm；
53.s3、根据金属环的尺寸，将橡胶材料裁剪成相应的尺寸，使得最终制得的减振装置的顶部长度为80cm，底部长度为80cm；
54.s4、将调配好的硫化胶均匀涂抹在金属环表面，涂抹厚度控制在0.5～1mm，以确保良好的粘结效果，将阻尼层与涂抹硫化胶的金属环对齐，紧密贴合，期间注意排除气泡以提高粘结强度；
55.s5、将粘结好的减振装置置于硫化机中进行硫化处理，设置硫化温度为150℃，时
间为60min，并保持设备内的压力为1mpa，以实现硫化胶对接触面的充分渗透和固化；
56.s6、将硫化过程完成后的减振装置从硫化设备中取出，对其进行检查，确保各层之间粘结牢固未出现脱层现象，检查合格后将其套接上管路系统的对应管路。
57.实施例3：
58.图4是实施例3制得的一种基于局域共振原理的减振复合环排列形状图(b)，制备方法如下：
59.s1、选用10cm厚的钢制材料作为减振装置中的一级金属环1和二级金属环3，根据管道5的外径，将金属板折弯成相应的半径；
60.s2、选用丁基橡胶作为一级阻尼层2与二级阻尼层4材料，厚度设置为金属环厚度的1.5倍即15cm；
61.s3、根据金属环的尺寸，将橡胶材料裁剪成相应的尺寸，使得最终制得的减振装置的顶部长度为40cm，底部长度为40cm；
62.s4、将调配好的硫化胶均匀涂抹在金属环表面，涂抹厚度控制在0.5～1mm，以确保良好的粘结效果，将阻尼层与涂抹硫化胶的金属环对齐，紧密贴合，期间注意排除气泡以提高粘结强度；
63.s5、将粘结好的减振装置置于硫化机中进行硫化处理，设置硫化温度为150℃，时间为60min，并保持设备内的压力为1mpa，以实现硫化胶对接触面的充分渗透和固化；
64.s6、将硫化过程完成后的减振装置从硫化设备中取出，对其进行检查，确保各层之间粘结牢固未出现脱层现象，检查合格后将其套接上管路系统的对应管路。
65.与实施例1得到的倒梯形减振装置不同的是实施例2与实施例3制备得到的是矩形减振装置，为进一步对实施例1～3制得的减振装置的减振性能进行评估，通过比较各减振系统工作前后的振动振幅得到振级落差对比图来展示减振效果，步骤如下：
66.(1)数据收集：
67.在安装减振装置前后分别收集振动测试数据，这些数据可以来自于计算模型的仿真数据。确保在相同测试点及相同工况下进行测量，以保证数据的准确性。
68.(2)计算振级：
69.根据收集到的振动数据，分别计算安装减振系统前后的振级。振级通常使用分贝(db)表示，可以通过以下公式进行换算：
70.振级(db)＝20*log10(振动幅值/参考振动幅值)
71.(3)计算振级落差，绘制对比图：
72.将安装减振系统前后的振级相减，得到振级落差。振级落差可以用来衡量减振效果，落差越大，减振效果越明显。在纵轴上标出振级(db)，横轴表示频率，数据如下：
73.74.[0075][0076]
根据实验数据绘制对比图如图5所示。
[0077]
(4)分析结果：
[0078]
从图5中看出，形状(a)的振级落差小于形状(b)与实施例1即本发明。同时实施例1制得的减振复合环在低频的减振效果优于实施例2制得的减振复合环。
[0079]
实施例1采用由橡胶环与金属环交替复合组成的倒梯形结构作为局域振子。通过对这些局域振子进行周期排列，产生带隙，在一定频段内抑制弹性波的传递。研究结果表明，在15-21hz的频段范围内，与普通管路相比，新型局域共振周期管路的减振性能有显著提升，最大峰值可达74db。这种基于局域振子原理的减振复合环为船舶管路振动控制提供了有效途径。
[0080]
作为进一步改进，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于局域共振原理的减振复合环，其特征在于，用于低频减振，所述的减振复合环包括若干个倒梯形减振装置，所述的减振装置由上至下依次为一级金属环、一级阻尼层、二级金属环、二级阻尼层，所述的一级金属环、一级阻尼层、二级金属环以及二级阻尼层之间通过硫化进行固定连接；金属环与阻尼层组合为局域振子结构，所述局域振子结构周期性地排列包裹在管道外壁，用于减少管路系统目标频率的振动。2.根据权利要求1所述的一种基于局域共振原理的减振复合环，其特征在于，一级金属环与二级金属环的材质为钢制，厚度为10～15cm。3.根据权利要求1所述的一种基于局域共振原理的减振复合环，其特征在于，一级阻尼层与二级阻尼层的材质为橡胶，厚度为金属环厚度的1.5～2倍。4.根据权利要求1所述的一种基于局域共振原理的减振复合环，其特征在于，倒梯形减振装置的顶部宽度为80～100cm，底部宽度为40～60cm。5.根据权利要求1所述的一种基于局域共振原理的减振复合环，其特征在于，金属环密度为7850kg/m3,杨氏模量为2
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pa，剪切模量为7.7
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pa。6.根据权利要求1所述的一种基于局域共振原理的减振复合环，其特征在于，阻尼层密度为1300kg/m3,杨氏模量为7.7
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105pa,剪切模量为2.6
×
105pa。7.根据权利要求3所述的一种基于局域共振原理的减振复合环，其特征在于，所述的橡胶为丁腈橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶或丁基橡胶中的任一一种。8.根据权利要求1所述的一种基于局域共振原理的减振复合环，其特征在于，倒梯形减振装置的梯形两边相等为等腰梯形。9.根据权利要求1～8所述的一种基于局域共振原理的减振复合环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、选定金属环材料及板厚：选择钢制材料作为金属环材料，并将金属板厚度设置为10～15cm；s2、将金属板折弯成预定的半径：根据管道的外径，将金属板折弯成相应的半径；s3、选定阻尼层材料及厚度：选定橡胶作为阻尼层的材料，并将橡胶的厚度设置为金属环材料的1.5～2倍；s4：根据金属环的尺寸，将橡胶材料裁剪成相应的尺寸，将橡胶材料折弯成相应的半径，以便与金属环紧密结合；s5：在金属环与阻尼层之间涂抹硫化胶，通过硫化过程，形成局域振子结构；s6：根据管道的长度确定局域振子结构的数量，使之与管道系统的目标频率相匹配，将周期性排列的局域振子结构安装在管道外壁上，从而实现减少管路系统目标频率振动的效果。

技术总结
本发明涉及一种基于局域共振原理的减振复合环，具有较宽带隙的减振效果。减振复合环包括若干个倒梯形减振装置，减振装置由上至下依次为一级金属环、一级阻尼层、二级金属环、二级阻尼层。金属环与阻尼层形成局域振子结构，周期性地排列包裹在管道外壁，用于减少管路系统目标频率的振动。制备方法包括选定金属环及阻尼层的材料和厚度，将金属板折弯成预定的半径，裁剪橡胶材料形成阻尼层，通过硫化固定金属环与阻尼层，形成局域振子结构，并将周期性排列的局域振子结构安装在管道外壁上。本发明的减振复合环具有较宽带隙的减振效果、结构简单、易制备及成本低等优点，可有效消除管路系统的低频振动，提高船舶运行稳定性和舒适性。提高船舶运行稳定性和舒适性。提高船舶运行稳定性和舒适性。


技术研发人员：秦佳贺 叶林昌 刘媛 陈聪 王一飞 夏兆旺
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一一研究所 中船邮轮科技发展有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/7