碳纤维环氧树脂复合材料的水声性能研究

论文摘要

随着现代军事技术的发展,对舰船的声隐身能力要求越来越高,开发和选用多功能复合材料（兼有阻尼减振和吸声降噪功能）成为声隐身课题的一个重要研究方向。树脂基复合材料具有优异的力学性能,重量轻,良好的耐海水腐蚀性、介电性,无磁性等特点,在舰船领域发挥越来越重要的作用。同时,树脂基复合材料具有较好的粘弹阻尼性和吸收声波的特点,因此,研究树脂基复合材料的水声性能具有重要的意义。本文的主要目的就是研究碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的水声吸声性能及其水下振动声辐射特性,探讨碳纤维环氧树脂复合材料作为水声材料的可行性。本文首先利用脉冲管实验方法研究了碳纤维环氧树脂复合材料的水声吸声性能,测试两种不同厚度（5.7mm和11.4mm）和不同表面性质的碳纤维环氧树脂复合材料层合板在高频率段（27-30kHz）的水声吸声系数。实验结果表明:厚度为11.4mm的试件具有较好的吸声性能,麻面性质的表面可以大大提高材料的吸声系数。本文基于有限元/边界元计算方法,建立了半空间流固耦合有限元模型以及声学边界元模型,分析了碳纤维环氧树脂复合材料方板的水下振动声辐射特性。本文研究了0°和45°单层板的水下振动声辐射特性,揭示了声辐射规律与纤维方向的关系。研究结果表明:单层板的水下声辐射规律与振动响应密切相关,声辐射方向不仅取决于纤维方向,而且与载荷频率有关。在低频下,声辐射主要由第一阶模态影响,声压在空间中各个方向相同。随着频率的升高,声辐射表现出了明显的方向性,声压分布主要沿着纤维方向。在高频阶段,声压分布方向性变得复杂化,但仍然与纤维方向相关。本文研究了碳纤维增强树脂基复合材料层合板的水下振动声辐射特性,分析了铺层、阻尼以及载荷对树脂基复合材料层合板水下振动声辐射的影响。研究结果表明:采用正交铺层,增加铺层层数能够有效降低结构振动噪声;激励载荷位置不同,模态发生变化,结构的振动声辐射特性将发生明显的变化;复合材料的阻尼性能使其具有良好的减振降噪效果。为了验证模拟的可靠性,对碳纤维环氧树脂复合材料层合板的水下振动声辐射规律进行了实验研究。实验结果表明:实验结果与数值模拟结果的规律是一致的,验证了数值模拟计算方法的合理性,同时通过与钢板的对比验证了树脂基复合材料具有优良的减振降噪性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 舰船声隐身技术和材料的发展概况
• 1.2.2 水声吸声材料的国内外研究现状
• 1.2.3 结构水下振动声辐射研究现状
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 碳纤维环氧树脂复合材料水声吸声性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 吸声材料的吸声过程分析
• 2.3 实验原理
• 2.3.1 实验测试原理
• 2.3.2 实验测量装置
• 2.4 实验材料及试件的制备
• 2.4.1 实验材料
• 2.4.2 试件制备
• 2.5 实验结果与讨论
• 2.5.1 信号处理过程
• 2.5.2 结果与分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 复合材料层合板水下振动声辐射理论基础
• 3.1 引言
• 3.2 层合板的振动有限元理论
• 3.2.1 层合板有限元分析方法概述
• 3.2.2 ANSYS 层合板结构振动分析原理
• 3.3 结构水下振动声辐射的有限元/边界元理论
• 3.3.1 流固耦合的有限元计算原理
• 3.3.2 直接边界元法振动声学分析原理
• 3.4 本章小结
• 第4章 复合材料单层板的水下振动声辐射数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 基于ANSYS/SYSNOISE 的水下结构振动声辐射数值模拟
• 4.2.1 基于ANSYS/SYSNOISE 的水下结构振动声辐射计算思路
• 4.2.2 复合材料板的振动声辐射数值分析模型
• 4.3 复合材料单层板的水下振动特性
• 4.3.1 复合材料单层板的水下模态分析
• 4.3.2 复合材料单层板的谐响应分析
• 4.4 复合材料单层板的水下振动声辐射
• 4.4.1 频率对复合材料单层板声辐射功率的影响
• 4.4.2 复合材料单层板的振动声辐射方向
• 4.5 本章小结
• 第5章 复合材料层合板的水下振动声辐射研究
• 5.1 引言
• 5.2 复合材料层合板的水下振动声辐射数值模拟
• 5.2.1 铺层角度对层合板振动声辐射的影响
• 5.2.2 铺层层数对层合板振动声辐射的影响
• 5.2.3 铺层顺序对层合板振动声辐射的影响
• 5.2.4 阻尼对层合板振动声辐射的影响
• 5.2.5 载荷位置对层合板振动声辐射的影响
• 5.3 复合材料层合板的水下振动声辐射实验研究
• 5.3.1 实验原理
• 5.3.2 实验材料
• 5.3.3 实验仪器设备
• 5.3.4 实验结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢