Влияние места и способа установки резонирующего пластинчатого вибропоглотителя на его эффективность Текст научной статьи по специальности «Физика»

В.Ю. Кирпичников, А.П. Кощеев, В.В. Савенко, В.Ю. Смольников

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

ВЛИЯНИЕ МЕСТА И СПОСОБА УСТАНОВКИ РЕЗОНИРУЮЩЕГО ПЛАСТИНЧАТОГО ВИБРОПОГЛОТИТЕЛЯ НА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Объект и цель научной работы. Экспериментальное исследование эффективности резонирующего пластинчатого вибропоглотителя (РПВ), настроенного на одну из собственных частот изгибных колебаний демпфируемой пластины (модели ячейки конструкции). Рассмотрены различные варианты его установки в зонах узла и пучности соответствующей резонансной формы колебаний пластины.

Материалы и методы. Экспериментальное определение эффективности РПВ по разнице спектров вибровозбудимости демпфируемой пластины в точках, расположенных в ее центре и других пучностях колебаний, измеренных при отсутствии и наличии РПВ.

Основные результаты. Эффект предлагаемого РПВ, выполненного в виде металлической полосы, прикрепленной посредством полимерной пленки, составил 19 дБ. Установка усовершенствованного многослойного РПВ, дает уменьшение уровня вибрации пластины на низшей резонансной частоте ~37 дБ. На всех других резонансных частотах изгибных колебаний пластины его эффективность составила 17-29 дБ.

Заключение. Показана высокая эффективность многослойного РПВ при точечном соединении с пластиной по сравнению со случаем контакта всей поверхностью резонирующей полосы. Практическое значение работы состоит в возможности применения частотно-настроенного многослойного РПВ при его точечном соединении с демпфируемой пластиной конструкции, что позволяет снизить до минимума резонансные максимумы колебаний конструкции. Ключевые слова: вибрации, резонанс, пластины, демпфирование. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Кирпичников В.Ю., Кощеев А.П., Савенко В.В., Смольников В.Ю. Влияние места и способа установки резонирующего пластинчатого вибропоглотителя на его эффективность. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 2(380): 131-136.

УДК 62-752 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-131-136

V.Yu. Kirpichnikov, A.P. Kosheev, V.V. Savenko, V.Yu. Smolnikov

Krylov State Research Centre, Moskovskoe shosse 44, St. Petersburg, Russia

RESONATING PLATED VIBRATION ABSORBER: EFFECT OF LOCATION AND INSTALLATION METHOD UPON ITS EFFICIENCY

Object and purpose of research: Experimental study on the efficiency of resonating plated vibration absorber tuned in one of the natural bending frequencies of the damped plate (model of the structural element). The paper discusses different variants of the absorber installation in the node and antinode areas for corresponding resonant vibration shape of the plate. Materials and methods: Experimental efficiency determination of resonant plated vibration absorber based on the difference of vibration excitabilities of the damped plate at the points located at its center and other antinodes of vibrations, as measured with and without the absorber.

Main results: The effect of the suggested resonant plated vibration absorber (a metal strap fastened by a polymeric tape) was 19 dB. Installation of the improved layered resonant vibration absorber allows ~37 dB reduction of the plate vibration at the lowest resonant frequency. At the rest of the resonant bending frequencies of the plate, the absorber efficiency was 17-29 dB. Conclusion: It has been shown that a tuned multy resonant plated vibration absorber with point fastening to the plate has a high efficiency, as compared to the case when the contact area is the entire surface of the resonating strap. Practical importance of this work is the possibility to apply frequency-adjusted layered plated vibration absorbers with point fastening to the damped structural plate, which mitigates resonant peaks of structural vibration to their minimum levels. Key words: vibration, resonance, plates, damping. Author declares lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Kirpichnikov V.Yu., Kosheev A.P., Savenko V.V., Smolnikov V.Yu. Resonating plated vibration absorber: effect of location and installation method upon its efficiency. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 2(380): 131-136. (in Russian) УДК 62-752 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-131-136

Уменьшение уровней вибрации конструкций достигается различными путями. С этой целью применяют, в частности, способы и средства, основанные на полезном использовании вибрационных характеристик дополнительных элементов, устанавливаемых на конструкцию Г11. Такими элементами, основное достоинство которых в сравнении с традиционными грузами - малая масса, являются пластинчатые вибропоглотители. С их помощью достигается как реактивное, так и активное вибродемпфирование конструкций.

Реактивным демпфированием называют способ уменьшения вибрации конструкций, состоящий в их нагружении механическим сопротивлениям инерционного или упругого характера, существенно превосходящим по модулю собственное сопротивление конструкций. С этой целью обычно используют различного рода динамические виброгасители или антивибраторы с основным элементом в виде массы. Два типа существенно более легких антивибраторов с не меньшей эффективностью на основе пластин -изгибный и продольный - описаны в работе [2].

Сутью активного демпфирования является поглощение вибрационной энергии конструкций размещаемыми на них элементами. Используют, в частности, мягкие, жесткие и армированные вибропогло-щающие покрытия (ВПП). Описание и физические основы работы ВПП, а также информация о свойствах входящих в их состав резиноподобных материалов содержатся, например, в работах [3-5].

Эффективное вибродемпфирование конструкций может быть достигнуто при установке на них не только покрытий, но и специальных вибропоглоща-ющих устройств. В отличие от пространственно распределенных покрытий вибропоглощающие устройства, основными рабочими элементами которых являются облицованные покрытием резонирующие

Рис. 1. Пластина с резонирующим пластинчатым вибропоглотителем

Fig. 1. Plate with resonating plated vibration absorber

пластины, могут быть отнесены к классу локальных пластинчатых вибропоглотителей. Некоторые типы пластинчатых вибропоглотителей, которые могут быть использованы для уменьшения вибрации конструкций, рассмотрены в работе [2].

Исследования по определению влияния места установки на поверхности (обшивке) конструкции резонирующего пластинчатого вибропоглотителя на его эффективность до настоящего времени не проводились. Вместе с тем подобная информация может быть полезной для уменьшения, например, наибольших уровней вибрации и звукоизлучения обшивки конструкции, возникающих на низших резонансных частотах пластинчатых элементов обшивки (ячеек) конструкции, ограниченных соседними подкреплениями.

Целью настоящей статьи является экспериментальное исследование эффективности резонирующего пластинчатого вибропоглотителя (РПВ), настроенного на одну из собственных частот изгибных колебаний демпфируемой пластины (модели ячейки конструкции), при его различных вариантах установки в зонах узла и пучности соответствующей резонансной формы колебаний пластины.

Размеры демпфируемой пластины в плане -0,522x0,371 м, толщина - 1,5*10-3 м. Пластина крепилась по контуру к раме и за два соседних угла с помощью веревочных тросов вывешивалась на гаке грузового крана (рис. 1).

На начальном этапе работы определялись основные вибрационные характеристики демпфируемой пластины - резонансные частоты и значения коэффициента потерь колебательной энергии. Возбуждение осуществлялось миниатюрным вибромолотком с датчиком контроля силы. Были проведены многоточечные измерения уровней входной и переходной вибровозбу-димостей - нормированного (амплитудой возбуждающей силы) виброускорения пластины А1¥ в точке приложения силы или в иной точке соответственно.

На рис. 2 серыми линиями изображены спектры входной вибровозбудимости демпфируемой пластины в точках 1-4, расположенных в центре пластины и других ожидаемых пучностях ее колебаний. Частоты резонансных максимумов в приведенных спектрах - 80,5, 129, 173,5, 201,5, 224 Гц и т.д. Соответствие частот резонансным формам изгибных колебаний определялось измерениями и расчетом. Расчет проводился в предположении свободного опирания кромок пластины на раму по формуле

f = ^

qn 2

( „2

n

12 i

\л' i

2 0

где 9 и п - число полуволн изгибных колебаний пластины вдоль ее длинной, I , и короткой, 12 ,

Рис. 2. Спектры входной вибровозбудимости пластины в точках 1-4 при отсутствии (серые линии) и установке (черные линии) через пленку ВПНС-2,5 стальной полосы 0,15х0,06х0,6х10-3 м (fi ~ 129 Гц) в зоне пучности формы колебаний пластины с частотой f2i ~ fi

Fig. 2. Spectra of input vibration excitability of the plate at points 1-4 with (black curves) and without (grey curves) steel strap 0,15 х 0,06 х 0,6 х 10-3 m (fi и 129 Hz) fastened by VPNS-2,5 tape at the antinode area of the plate vibration shape (frequency fn и fi)

кромок соответственно; Б - изгибная жесткость

БЛ3

(Б = —т-г, Б и с - модуль Юнга и коэффициент

12(1 - ст2)

Пуассона материала, Л - толщина); т - масса единицы поверхности, т = рЛ (р - плотность материала).

Идентифицированные (подтвержденные расчетом) частоты !дП пяти первых резонансных максимумов указаны на рис. 2.

Экспериментальные значения коэффициента потерь колебательной энергии в пластине на резонансных частотах определялись по формуле ——,

/ЦП

где Д/ЦП - ширина резонансного максимума вибровозбудимости на уровне -3 дБ от его наибольшего значения. Значения ц на частотах 80,5, 129, 173,5, 201,5 и 224 Гц оказались равными 3-10-3, 2-10-3, 2-10-3, 2-10-3 и 10-3 соответственно.

На демпфируемую пластину устанавливался пластинчатый вибропоглотитель, основным элементом которого была резонирующая полоса из кровельного железа толщиной 0,6*10-3 м. Длина и ширина полосы в плане выбиралась такой, чтобы ее низшая собственная частота /1 равнялась одной из двух низших частот изгибных колебаний демпфируемой пластины (/11 , /л). Приближенная расчетная оценка /1 выполнялась с использованием формулы для частоты / изгибно-колеблющегося стержня со свободными концами [1]:

где B - изгибная жесткость,

£Д35 12

(Ai и 5 - тол-

f = а,

B

ml4''

щина и ширина); т - масса единицы длины, т = рЛ15; I - длина полосы; ад = 3,57, оь = 9,83, аз = 18,3.

Согласно расчетной оценке частота /1 оказалась близкой к частотам /л и /21 при длинах полосы ~0,19 и ~0,15 м соответственно. Результаты оценки были подтверждены измерениями вибрации и псевдозвукового (вблизи поверхности) давления полос, подвешенных за углы тонкими нитями, при сосредоточенном ударном возбуждении.

Типичные нормированные силой спектры вибрации и псевдозвукового давления трех полос длиной ~0,15 м и шириной 5, равной 0,06, 0,04 и 0,02 м, приведены на рис. 3: видим сравнительно малое влияние ширины полос на значения / (по приведенной ранее формуле это влияние отсутствует), а также некоторое различие этих значений в спектрах вибрации и псевдозвукового давления. Меньшие (по сравнению с псевдозвуком) значения / в спектрах вибрации объясняются увеличением массы полос установленным на них виброприемником.

Рассмотрим результаты экспериментального определения эффективности описанных РПВ. На рис. 2 черными линиями показаны спектры А!¥ в точках 1-4 при установке РПВ длиной 0,15 м и шириной 0,06 м, эффективного на частоте /21 . На рис. 4 приведены три следующих спектра входной вибровозбудимости демпфируемой пластины, измеренной в пучности формы ее изгибных колебаний с двумя полуволнами вдоль длинных и с одной полуволной вдоль коротких кромок (точка 2):

■ пластина без РПВ (кривая 1);

■ пластина с полосами РПВ шириной 0,06 м (кривая 2) и 0,02 м (кривая 3), имеющими низшую

Рис. 3. Нормированные силой F спектры вибрации A/F (сплошные линии) и псевдозвуковых давлений P/F (пунктирные линии) полос длиной 0,15 м разной ширины 5

Fig. 3. Force rated vibration spectra, A/F (solid curves) and pseudo-acoustic force rated pressures, P/F (dotted curves) for 0,15 m long straps of various width 5

резонансную частоту ¡1 ~ ¡Ь = 129 Гц и последовательно прикрепленными посредством полимерной пленки типа ВПНС-2,5 (толщина ~1,5 мм) в зоне пучности соответствующей частоте ¡Ь резонансной формы изгибных колебаний демпфируемой пластины (точка 5). Эффект от установки полосы с пленкой шириной 0,06 м, масса которой составляла ~1,8 % от массы собственно пластины (без учета винтов и рамы), на частоте гашения вибрации £1 оказался равным ~19 дБ. Коэффициент потерь колебательной энергии в пластине увеличился примерно в 10 раз. Уменьшение уровня вибрации на той же частоте при установке полосы шириной 0,02 м с массой ~0,6 % от массы пластины составило ~9 дБ. Существенное уменьшение уровней вибрации, особенно при уста новке на пластину полосы шириной 0,06 м, наблюдалось и на более высоких частотах. На низшей резонансной частоте /л эффект от установки РПВ с частотой ¡1 > 1,5/л оказался достаточно малым.

В следующих экспериментах при такой же установке испытанной полосы в зону точки 1 (пучность низшей 1-1 и узел следующей 2-1 форм изгибных колебаний демпфируемой пластины) уменьшение вибрации на частоте fw ~ 80 Гц возросло до 8 дБ, но оказалось существенно меньшим, чем при ее установке в зоне пучности формы колебаний (точка 5), на собственную частоту которой настроена низшая резонансная частота полосы f\ ~ f21 = 129 Гц. Уменьшение уровней вибрации на частоте ~129 Гц снизилось до 5 дБ. Эффект уменьшения уровней вибрации на этой частоте при установке полосы с f ~ 129 Гц в «узел» формы колебаний (точка 1) оказался меньше, чем при ее установке в «пучность» той же формы (точка 5) на ~14 дБ.

Примерно такие же результаты были получены при испытаниях эффективности полосы длиной 0,19 м (f ~ 80 Гц) при ее установке через пленку ВПНС-2,5 в точки 1 (пучность низшей формы колебаний) и 5 (пучность формы 2-1). Был сделан вывод о существенно лучшей эффективности РПВ при

Рис. 4. Спектры входной вибровозбудимости пластины при отсутствии (кривая 1) и при установке резонирующего пластинчатого вибропоглотителя с полосами длиной 0,15 м, имеющими ширину 0,06 и 0,02 м (кривые 2 и 3)

Fig. 4. Input vibration excitability spectra for the plate with (curve 2) and without (curve 1) the resonating plated vibration absorber with 0,15 m long straps of width 0,06 and 0,02 m (curves 2 and 3 )

Рис. 5. Спектры входной вибровозбудимости демпфируемой пластины при отсутствии (кривая 1) и при установке (кривая 2) многослойного армированного покрытия резонирующего пластинчатого вибропоглотителя на основе полосы с размерами в плане 0,15x0,06 м (точечное соединение)

Fig. 5. Input vibration excitability spectra for the damped plate with (curve 2) and without (curve 1) the layered reinforced coating for the plated vibration absorber, based on the strap with dimensions of 0,15 x 0,06 m (point fastening)

установке в зоне пучности формы колебаний демпфируемой пластины, на собственную частоту которой настроена его низшая резонансная частота.

Дальнейшие исследования выполнялись с усовершенствованными многослойными РПВ, имеющими существенно большие потери колебательной энергии. С этой целью полосы РПВ с ранее указанными размерами дополнительно облицовывались армированным покрытием на основе пленки ВПНС-2,5 и армирующего слоя кровельного железа толщиной 0,18х10-3 м.

Эффективность многослойных РПВ с большими собственными потерями колебательной энергии последовательно определялась при трех следующих вариантах установки на демпфируемую пластину:

■ аналогично вышеописанному - через слой пленки с размером в плане таким же, как у РПВ;

■ с жестким соединением пластины и зоны геометрического центра (ГЦ) РПВ (через шестигранную гайку с резьбой М5 с внешним размером противоположных граней ~8 мм и толщиной ~3 мм);

■ с упругим соединением пластины и ГЦ РПВ через пленку ВПНС-2,5 толщиной 1,5* 10-3 м, нанесенную только на малом участке в ГЦ РПВ (площадь участка была равна площади описанной шестигранной гайки).

Результаты измерений эффективности многослойных РПВ при первом варианте крепления к пластине оказались практически такими же, как и ранее при креплении через слой пленки одиночных резонирующих стальных полос.

При двух других вариантах (условно точечных соединениях) многослойных РПВ с демпфируемой пластиной эффективность оказалась одинаковой и существенно лучшей, чем при их распределенном креплении через слой пленки. Это видно из рис. 5,

на котором приведены спектры входной вибровозбудимости демпфируемой пластины в точке 2 (пучность формы 2-1) при отсутствии и установке (условно точечное соединение с центром в точке 5 -другой пучности формы 2-1) армированного покрытием многослойного РПВ с низшей резонансной частотой ¡1 ~ {21 = 129 Гц. Уменьшение уровня вибрации пластины на указанной частоте составило ~37 дБ. Значение коэффициента потерь оказалось равным 0,238, т.е. превысило его значение при отсутствии РПВ более чем в 100 раз! На всех других резонансных частотах изгибных колебаний пластины эффективность РПВ составила 17-29 дБ.

Полученная существенно большая эффективность многослойного РПВ при точечном соединении с пластиной в сравнении со случаем контакта с ней всей поверхностью резонирующей полосы обусловлена лучшими условиями для реализации в полосе РПВ резонансных колебаний. Из-за имеющегося зазора пластина не ограничивает перемещения кромок полосы, что способствует лучшему поглощению колебательной энергии, входящей в нее из демпфируемой пластины.

На основании полученных результатов могут быть сделаны следующие выводы.

1. Эффективность частотно настроенного РПВ, установленного в зоне пучности резонирующей формы изгибных колебаний демпфируемой пластины, на величину ~15 дБ больше, чем его эффективность при размещении РПВ в зоне узла той же формы.

2. Нанесение армированного вибропоглощающего покрытия на резонирующую полосу РПВ, контактирующую с пластиной всей площадью другой поверхности, к заметному уменьшению вибрации пластины в сравнении со случаем установки на нее РПВ без армированного покрытия не приводит.

3. Существенно большая эффективность многослойного РПВ с армированным вибропоглощающим покрытием достигается при условно точечном соединении его геометрического центра с демпфируемой пластиной в зоне пучности формы ее изгибных колебаний с резонансной частотой, примерно равной частоте, на которую настроен РПВ.

Библиографический список

Reference

1. Никифоров А.С. Акустическое проектирование судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1990.

2. Кирпичников ВЮ. Вибровозбудимость конструкций и пути ее уменьшения. СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2014.

3. Никифоров А.С. Вибропоглощение на судах. Л.: Судостроение, 1979.

4. Алексеев С А, Губанова ЕВ., Янин И А., Ярыгин О В. Сопоставление акустических характеристик новых отечественных материалов, используемых для акустической защиты судов и кораблей. СПб.: Моринтех, 2003.

5. ИоновАВ.,БувайлоЛЕ.,ВолковаМВ., СтаростинА.П. Эластомерные материалы в средствах снижения вибрации и шума на судах // Российский химический журнал. 2009. Т. 53. Вып. 4. С. 41-53.

Сведения об авторах

Кирпичников Валерий Юлианович, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected]

Кощеев Алексей Петрович, начальник стенда ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected]

Савенко Валентин Викторович, к.т.н., старший научный сотрудник, заместитель начальника лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-49-85. E-mail: krylov @ krylov.spb.ru

Смольников Василий Юрьевич, ведущий инженер ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-45-47. E-mail: [email protected]

About the authors

Kirpichnikov, Valery Yu., Doctor of Technical Science, Chief Researcher, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh. St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-4801. E-mail: [email protected]

Kosheev, Alexey P., Test Rig Manager, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh. St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-48-01. E-mail: [email protected]

Savenko, Valentin V., Candidate of Technical Science, Deputy Head of Laboratory, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh. St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-49-85. E-mail: krylov @ krylov.spb.ru

Smolnikov, Vasily Yu., Lead Engineer, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh. St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-45-47. E-mail: [email protected]

Поступила: 09.02.17 Принята в печать: 30.03.17 © Коллектив авторов, 2017