夹层板隔声性能的优化研究开题报告

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1. 研究目的与意义

近年来，通过减少车辆结构质量来减少能源消耗的研究受到越来越多的关注。

相关资料表明，汽车重量每减少10%，燃油经济性就提高5.5%。

为此，车辆原始设备制造商已经加大力度通过降低产品重量来提高行驶里程。

2. 国内外研究现状分析

1 夹层板阻抗匹配关系研究现状 夹层板是典型的轻质结构，其通常由两块相对较薄但具有高强度和高刚度的面板与一块厚且轻质的中间夹层组成。面板通常是由高性能材料制作的，如钢，铝以及纤维复合材料，而中间层通常是实体结构的泡沫材料，铝蜂窝材料或轻质木材。夹层板在具有高的比刚度、比强度的同时，也易于辐射噪声，因此，其隔声性能也一直是大家关注的重点。然而影响隔声性能的因素甚多，至今没有一种普适的预测模型。因此，有必要选择一种理论与实测相结合的途径来提高隔声结构的筛选效率。阻抗分析法的基本思路是先获得隔声结构各层的阻抗，然后求出各层组合后结构整体的阻抗。 同济大学声学研究所王佐民等[1]应用阻抗分析法与少量实样测试相结合的研究途径，探讨具有确定平面尺寸和边界条件的双层板结构的隔声量，进而得到相应的半理论半经验拟合公式。对3种不同夹层形式的双层板结构的倍频程隔声量进行实例分析，得到各自的拟合公式。3种夹层形式分别为吸声材料夹层、空气夹层(空腔)和空气-吸声材料夹层。利用这些拟合公式，可以便捷、高效地开展隔声结构参量的工程筛选。 中原工学院的朱从云等[2]鉴于主动吸声在低频声波入射时方有吸声效果，而在中高频声波入射时，吸声效果不明显。于是便采用一种新的半主动吸声方法；即由一层吸声材料和可移动的刚性壁组合结构，改变刚性壁移动的速度，使吸声材料的表面声阻抗与空气的阻抗相匹配，从而使吸声材料的吸声系数达到最大。最后，对平面入射声波进行了数值计算与实验，结果表明：在100～2000Hz时,吸声系数能达到0.8～1.0，而对于更高频率的入射声波，用此方法进行纯主动吸声的效果改善不明显。 兵器工业五二研究所的崔林等[3]对叠层装甲设计中所用材料的声阻抗匹配与结构抗弹性能的关系进行了理论研究和实弹考核，结果表明，叠层材料相邻两层声阻抗差越大，其抗弹性能越好。2 夹层板隔声性能研究现状 南京航空航天大学顾志武[4]对V-型皱褶芯材夹层板和六角单元蜂窝芯材夹层板在低频区的隔声性能进行了基础研究。首先，介绍了利用工程软件ANSYS的进行结构隔声性能计算的基本原理和方法，对蜂窝夹层结构和皱褶芯材夹层结构作了简单介绍。然后，运用ANSYS软件，对28种不同参数的V-型皱褶芯材夹层板和12种不同参数的六角单元蜂窝夹层板进行了隔声性能计算，得出了各个参数对结构隔声性能的影响，并分析了可能的原因。最后，对两种轻质结构在相同高度和面密度下的隔声性能进行了对比研究和分析，得出了对工程应用上有参考价值的结果。 西安电子科技大学的李波[5]以应用真空夹层板技术对某型号螺旋桨飞机机舱进行降噪处理为背景，研究了真空夹层板的结构设计及其隔声特性，主要针对面板材料和真空层中声桥的分布对其隔声性能的影响进行了讨论。针对真空夹层板的两个主要组成部分夹层面板和声桥对真空夹层板隔声性能的影响做了初步研究，并得到了相关结果，为进一步研究真空夹层板的隔声特性提供了一定的基础，并对真空夹层板的结构设计具有一定的参考意义。 大连交通大学的王刚[6] 以植物纤维为基本材料，工业水玻璃为粘结剂，以提高力学性能和隔声性能为目的，通过添加石膏、玻璃纤维、石墨和MgO等添加剂，采用自行设计制造的模具，采用热压成型工艺，成功制备了植物纤维复合材料蜂窝芯和平板芯。通过优化组分配比，可有效提高镁合金复合夹层结构隔声性能并确定了最佳的组分配比；相同组分试样，提高成型压力可提高隔声量，平均隔声量增幅达4dB；蜂窝芯夹芯试样隔声性能优于平板夹芯试样，平均隔声量增幅达6dB。 大连理工大学的王宏伟等[7]根据无限大弹性体和粘弹性体的波传递理论，对水下和空气中含流体夹层的弹性-粘弹性阻尼复合板的隔声性能进行了研究，即具体处理了4阶方阵与2阶方阵之间的转化问题，避免了方程奇异。通过计算得到：水层厚度的增加使结构传声损失增大；软质阻尼材料能明显改善结构的隔声性能。 南京航空航天大学刘畅等[8]采用有限元软件ABAQUS研究了整体中空夹层复合材料的隔声性能，根据材料的细观结构特点将其等效为加筋双层板，建立了相应的有限元模型计算了整体中空夹层复合材料的隔声量，通过试验数据的对比，验证了计算的准确性，同时对有限元方法、传统质量定律以及传递矩阵法进行了比较；研究了芯材厚度和夹层填充材料对整体中空夹层复合材料隔声性能的影响；研究表明:提高整体中空夹层复合材料芯材厚度或者采用泡沫作为夹层填充材料均能提高整体中空夹层复合材料的隔声性能。 西北工业大学航海学院范玉岭等[9]以波传递理论为基础，推导了一般情况下具有中间夹层结构的复合板的隔声公式。并且分析了在复合隔声结构的设计中特性阻抗和波数等参数对隔声性能的影响，对隔声量预报有一定的指导意义。 西北工业大学民航学院的贺尔铭等[10]设计并研制了一种各向同性玻璃短纤维聚酯/聚氨酯泡沫夹层复合材料隔声板，并用混响室法测试了试件的隔声量，结果表明该复合材料夹层结构具有优良的隔声能力和较高的性能价格比。 由此可见，在之前的许多实验与研究中，通过建立各种夹层结构模型，运用数值计算等一系列方法都佐证了夹层结构本身固有特性的优点以及其在隔声能力上的优越性。3 夹层板声学性能优化设计研究现状 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室的陈春强等[11]为了优化电流变夹层板中的变刚度控制效果，对其进行了夹层结构的拓扑优化。首先，基于变刚度控制效果的分析，确立了结构的单阶模态和综合模态频率变化率为优化目标，然后基于粒子群优化算法对结构进行了拓扑优化，并且给出了相应的拓扑构形。最后，采用变刚度控制的等效阻尼比和时域响应对比两种手段对拓扑优化的结果进行了验证，两类验证都表明这些优化的拓扑构形能在较小的材料利用率下，可以取得较好的变刚度控制性能。 哈尔滨工程大学船舶工程学院的陈林等[12]基于有限元方法对V型夹层板结构的水下声辐射性能进行了数值模拟研究。在保证结构质量不变的前提下，改变夹芯层单元尺寸，进行声学性能分析，寻找最优尺寸。 华南理工大学张宪民等[13]在双层隔声窗的设计中，提取两块隔声窗的厚度以及两者之间空气隙的厚度为设计参数，以传声损失最大为设计目标，建立优化设计模型，采用序列二次形算法获得了优化后的设计参数。 同济大学汽车学院的何雨漾等[14]为降低轿车车内中频噪声问题，采用有限元与统计能量混合的方法对某国产轿车的车内声场进行建模，在动力总成激励和路面激励下对模型进行了仿真分析。通过车身板件功率贡献分析，找到对驾驶室噪声影响较大的板件，并对前围板、顶棚等关键板件添加不同的阻尼和改变衬底材料等进行声学处理，对比分析整车模型处理前后的车内噪声值，证明了控制方法的有效性。 上海交通大学的李会荣等[15]应用遗传算法与梯度算法相结合的混合优化算法，在结构质量及整体刚度约束下，分两个频段对波纹芯体夹层板在中置点声源激励下平均透射声功率进行单参数和多参数优化分析，其中优化目标函数，即夹层板透射声功率用谱元法和Rayleigh积分进行建模计算。 中国舰船研究设计中心的朱成雷等[16]以某舰船的双层底板架单元为基础，在保证夹层板总质量和主尺寸与原板架相同的前提下，建立36种不同尺寸的四边形蜂窝夹层板模型，利用仿真算法进行声学性能分析。 通过上述材料可以看出，对比多参数与单参数优化，对于结构参数较多的复杂构型，多参数优化能更大限度的提高整体结构的隔声性能。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：（1）查阅相关资料，了解夹层板隔声的相关概念，掌握夹层板的声学性能优化研究现状，撰写文献综述和开题报告。

（2）基于声阻抗分析法，建立夹层板的传声损失分析模型，研究夹层板的阻抗匹配关系。

（3）建立夹层板声学性能优化的优化模型（目标函数，约束条件，设计变量）。

4. 研究创新点

夹层板在隔声方面具有固有的优越性，对其作优化设计可以大大提高其隔声能力