一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮

1.本发明属于减阻降噪蒙皮技术领域，具体涉及一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮。


背景技术：

2.随着科学技术的迅速发展，对潜航器的快速性、续航能力以及隐身特性都提出了更高的要求，因此，如何提高潜航器的减阻降噪性能，成为了目前船舶建造以及减阻降噪领域的研究热点。潜航器在航行过程中，其流体阻力、流激噪声以及声学(隔声/吸声)特性，均与其表面覆盖层的阻抗特性有关。研究表明，随着潜深(压力)及航速的变化，潜航器表面覆盖层的阻力、噪声及声学特性也会随之变化，具体表现为随着航速的升高，减阻降噪性能随之显著降低。随着仿生学的不断发展，研究人员发现，海豚等高速游动海洋生物能够通过对自身皮肤力学特性的调控，实现在不同游速下均具有优异的减阻降噪效果。
3.多层变刚度单元受蜂窝结构启发，具有优异的缓冲隔振及隔音效果，尤其能通过自身变形从而改变其刚度及阻尼特性。此外该结构在设计方面具有多个可调参数，可以根据具体使用环境来选择不同的结构及材料参数，对环境有着更好地适应性和多样性，从而可以更好地实现隔振等功能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮。
5.一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，包括内侧柔性基底、可调阻抗柔性结构、外侧柔性表皮；所述可调阻抗柔性结构是由设置在内侧柔性基底与外侧柔性表皮之间的多层变刚度单元阵列构成，可调阻抗柔性结构与所述内侧柔性基底及外侧柔性表皮之间为固定连接；所述内侧柔性基底上开设有通孔，并与液压系统连接，实现阻抗调控功能；所述外侧柔性表皮不与外界流场连通。
6.进一步地，所述多层变刚度单元阵列由多层变刚度单元排列而成，每个多层变刚度单元包括三层蜂窝结构，各层蜂窝结构之间采用冷粘技术固定连接；所述多层变刚度单元顶部和底部通过冷粘技术分别固定于外侧柔性表皮的下表面和内侧柔性基底的上表面。
7.进一步地，所述内侧柔性基底与外侧柔性表皮均为柔性、质地轻薄的有机高分子材料制成。
8.进一步地，所述构成多层变刚度单元的三层蜂窝结构各层结构尺寸互不相同。
9.进一步地，所述多层变刚度单元由具有弹性阻尼特性的有机高分子材料制成。
10.本发明的有益效果在于：
11.本发明将多个多层变刚度单元沿流向和展向周期排列组成多层变刚度结构，将多层变刚度结构与内外弹性基底及表皮连接，构成可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮。该蒙皮能够在舱内液压系统的作用下实现阻抗的调节，使得潜航器在不同水深及航速条件下，都能获得较好的减阻降噪效果。当潜航器运动速度或深度发生变化时，相邻流场脉动激励大小、频
率等发生变化，该激励通过外侧柔性表皮传递至多层变刚度单元；反过来，蒙皮整体动态响应通过外侧柔性表皮对相邻流场湍流相干结构产生作用，控制其形成与发展过程，从而调控潜航器所受流体阻力与流激噪声水平。而本蒙皮结构能够通过液压系统的调节，调整刚度及阻尼，从而改变自身的阻抗特性，影响湍流的形成和发展，始终保持良好的减阻降噪效果。此外，本蒙皮结构在设计方面具有多个可调参数，并可根据实际需求对变刚度单元层数及相关参数进行针对性的设计与调整，结构简单，易于制造。
附图说明
12.图1为本发明的结构示意图。
13.图2为图1中的单个多层变刚度单元结构示意图。
14.图3为本发明的液压系统示意图。
15.图4为本发明的减阻特性示意图。
16.图5为本发明的降噪特性示意图。
17.图中标号说明：
18.1、内侧柔性基底；2、通孔；3、多层变刚度单元；4、外侧柔性表皮；5、下层蜂窝结构；6、中层蜂窝结构；7、上层蜂窝结构；8、液压系统；9、基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮；10、潜航器壳体；11、湍流激励；12、内部噪声；13、外部噪声。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明做进一步描述。
20.本发明提供了一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，包括内侧柔性基底、多层变刚度单元、外侧柔性表皮。该蒙皮能够在舱内液压系统的作用下实现阻抗的调节，使得潜航器在不同水深及航速条件下，获得较好的减阻降噪效果。内侧柔性基底与外侧柔性表皮之间是由多个多层变刚度单元按照一定规律排布组成的阵列式变刚度层，多层变刚度单元与所述内侧柔性基底及外侧柔性表皮之间为固定连接。可调阻抗柔性蒙皮敷设于潜航器表面，能够在不同航速及水深情况下通过液压系统的调节，改变自身刚度与阻尼，调整蒙皮的阻抗特性，从而适应不同的流场环境，在流场速度和压力变化时，依然能够保证良好的减阻降噪效果。
21.如图1所示，一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，包括内侧柔性基底1、多层变刚度单元3、外侧柔性表皮4。内侧柔性基底1与外侧柔性表皮4之间由多个多层变刚度单元3阵列填充，多层变刚度单元3分别与内侧柔性基底1和外侧柔性表皮4固定连接，从而构成一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，借助通孔2与舱内的液压系统8连接，实现阻抗调控功能。此外该蒙皮不与外界流场连通，其通过与舱室内的液压系统连接来实现蒙皮内部的充液及放液过程。
22.结合图1和图2，针对典型的低、中、高特征航速，本发明选取三层蜂窝结构组成多层变刚度单元3，各层结构尺寸互不相同。多层变刚度单元3顶部和底部通过冷粘技术分别固定于外侧柔性表皮4的下表面和内侧柔性基底1的上表面。各层蜂窝结构之间均采用冷粘技术固定连接。
23.进一步地，内侧柔性基底1和外侧柔性表皮4均为有机高分子材料制成。多层变刚
度单元3的材料为一种具有弹性阻尼特性的有机高分子材料。
24.具体的，内侧柔性基底1与外侧柔性表皮4均为柔性、质地轻薄特点的聚氨酯材料制成。三层蜂窝结构均采用聚氨酯材料。
25.工作原理
26.结合图3，对本发明的液压系统的功能进行说明。基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮9通过内侧柔性基底1贴附于潜航器壳体10外表面。蒙皮外表面为封闭结构，在潜航器未下潜时，由潜航器内部水舱供水，将蒙皮内部充满水。本发明的液压系统8共有两种工作方式，即充液和放液。当潜航器航速或潜深发生变化时，根据特征流场航速下蒙皮减阻降噪所需最佳阻抗条件，通过液压系统8调控水舱中的水流入或流出蒙皮结构，使蒙皮发生膨胀或收缩，从而调控多层变刚度单元3中各层蜂窝结构的变形量，以改变蒙皮的刚度和阻尼，控制蒙皮的阻抗特性，进而确保良好的减阻降噪效果。
27.结合图4对本发明的减阻特性进行说明。基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮9通过内侧柔性基底1贴附于潜航器壳体10外表面。当潜航器的航速或水压发生变化时，湍流激励11也随之产生变化，而该蒙皮能够在液压系统8的调节下，改变刚度和阻尼，使蒙皮的阻抗特性发生变化，从而适应不同的湍流环境，保证在各种航速及水压下都能对湍流产生抑制作用，始终保持良好的减阻效果。
28.结合图5对本发明的降噪特性进行说明。基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮9通过内侧柔性基底1贴附于潜航器壳体10外表面。当潜航器在不同航速及水压下运动时，该蒙皮在液压系统8的作用下具有刚度及阻尼可调性，能够调节蒙皮的阻抗特性，适应不同的外界环境，从而在各种航速及水压下都能有效减少湍流激励11引起的结构振动产生的噪声。该蒙皮利用多层变刚度结构削弱湍流激励11的能量传递，从而能够有效抑制外部噪声(主动声呐)13；此外通过液压系统8对蒙皮阻抗特性的调节，也能对内部噪声(机械噪声等)12的隔声特性进行调整。
29.本发明将多个多层变刚度单元沿流向和展向周期排列组成多层变刚度结构，将多层变刚度结构与内外弹性基底及表皮连接，构成可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮。该蒙皮能够在舱内液压系统的作用下实现阻抗的调节，使得潜航器在不同水深及航速条件下，都能获得较好的减阻降噪效果。当潜航器运动速度或深度发生变化时，相邻流场脉动激励大小、频率等发生变化，该激励通过外侧柔性表皮传递至多层变刚度单元；反过来，蒙皮整体动态响应通过外侧柔性表皮对相邻流场湍流相干结构产生作用，控制其形成与发展过程，从而调控潜航器所受流体阻力与流激噪声水平。而本蒙皮结构能够通过液压系统的调节，调整刚度及阻尼，从而改变自身的阻抗特性，影响湍流的形成和发展，始终保持良好的减阻降噪效果。此外，本蒙皮结构在设计方面具有多个可调参数，并可根据实际需求对变刚度单元层数及相关参数进行针对性的设计与调整，结构简单，易于制造。
30.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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：
1.一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：包括内侧柔性基底(1)、可调阻抗柔性结构、外侧柔性表皮(4)；所述可调阻抗柔性结构是由设置在内侧柔性基底(1)与外侧柔性表皮(4)之间的多层变刚度单元阵列构成，可调阻抗柔性结构与所述内侧柔性基底(1)及外侧柔性表皮(4)之间为固定连接；所述内侧柔性基底(1)上开设有通孔(2)，并与液压系统(8)连接，实现阻抗调控功能；所述外侧柔性表皮(4)不与外界流场连通。2.根据权利要求1所述的一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述多层变刚度单元阵列由多层变刚度单元(3)排列而成，每个多层变刚度单元(3)包括三层蜂窝结构，各层蜂窝结构之间采用冷粘技术固定连接；所述多层变刚度单元(3)顶部和底部通过冷粘技术分别固定于外侧柔性表皮(4)的下表面和内侧柔性基底(1)的上表面。3.根据权利要求1或2所述的一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述内侧柔性基底(1)与外侧柔性表皮(4)均为柔性、质地轻薄的有机高分子材料制成。4.根据权利要求1或2所述的一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述构成多层变刚度单元(3)的三层蜂窝结构各层结构尺寸互不相同。5.根据权利要求3所述的一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述构成多层变刚度单元(3)的三层蜂窝结构各层结构尺寸互不相同。6.根据权利要求1或2所述的一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述多层变刚度单元(3)由具有弹性阻尼特性的有机高分子材料制成。7.根据权利要求3所述的一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述多层变刚度单元(3)由具有弹性阻尼特性的有机高分子材料制成。8.根据权利要求4所述的一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述多层变刚度单元(3)由具有弹性阻尼特性的有机高分子材料制成。9.根据权利要求5所述的一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮，其特征在于：所述多层变刚度单元(3)由具有弹性阻尼特性的有机高分子材料制成。

技术总结
本发明属于减阻降噪蒙皮技术领域，具体涉及一种基于多层变刚度单元的可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮。本发明将多个多层变刚度单元沿流向和展向周期排列组成多层变刚度结构，将多层变刚度结构与内外弹性基底及表皮连接，构成可调阻抗柔性减阻降噪蒙皮。该蒙皮能够在舱内液压系统的作用下实现阻抗的调节，使得潜航器在不同水深及航速条件下，都能获得较好的减阻降噪效果。当潜航器运动速度或深度发生变化时，相邻流场脉动激励大小、频率等发生变化，该激励通过外侧柔性表皮传递至多层变刚度单元；反过来，蒙皮整体动态响应通过外侧柔性表皮对相邻流场湍流相干结构产生作用，控制其形成与发展过程，从而调控潜航器所受流体阻力与流激噪声水平。声水平。声水平。


技术研发人员：董立强 范彦奇 崔进 赵丹 刘少刚
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/6/27