基于COMSOL的三明治复合结构泡沫铝隔声性能研究.pdf

年第 期基于C OM S O L的三明治复合结构泡沫铝隔声性能研究付强(西安航空职业技术学院,陕西 西安 )摘要:泡沫铝夹层结构因其优良的物理性能被广泛应用于汽车工业领域,为研究不同材料组合对三明治复合结构泡沫铝隔声性能的影响,利用C OM S O L有限元软件对纯泡沫铝和三种常见三明治复合结构泡沫铝三维几何模型进行建模,并对其传递损失进行了数值仿真计算.分析了不同材料组合对三明治复合结构泡沫铝隔声性能的影响.结果表明:()三明治复合结构泡沫铝的隔声性能要优于纯泡沫铝,尤其在高频段()三明治复合结构泡沫铝传递损失存在周期性规律,即传递损失在低频段先增后减、中频段先减后增、高频段逐渐增大的趋势.关键词:C OM S O L;复合结构;泡沫铝;传递损失中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()S t u d yo nS o u n dI n s u l a t i o nP r o p e r t yo fS a n d w i c hC o m p o s i t eA l u m i n u mF o a mB a s e do nC OM S O LF uQ i a n g(X i a nA e r o n a u t i c a lP o l y t e c h n i c I n s t i t u t e,S h a a n x iX i a n )A b s t r a c t:A l u m i n u mf o a ms a n d w i c hs t r u c t u r ei sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l ei n d u s t r yd u et oi t se x c e l l e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e s I no r d e r t os t u d y t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n tm a t e r i a l c o m b i n a t i o n s o n t h e s o u n d i n s u l a t i o np e r f o r m a n c e o f s a n d w i c hc o m p o s i t e a l u m i n u mf o a m,t h e t h r e e d i m e n s i o n a l g e o m e t r i cm o d e l s o f p u r e a l u m i n u mf o a ma n d t h r e e c o mm o n s a n d w i c h c o m p o s i t e a l u m i n u mf o a mw e r e c o n s t r u c t e db yu s i n gC OM S O L f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e,a n d t h e i r t r a n s m i s s i o n l o s s e sw e r en u m e r i c a l l y s i m u l a t e d T h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n tm a t e r i a l c o m b i n a t i o n s o n t h e s o u n d i n s u l a t i o np e r f o r m a n c e o f s a n d w i c hc o m p o s i t e a l u m i n u mf o a mw a s a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t:()t h e s o u n d i n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo f a l u m i n u mf o a mw i t hs a n d w i c hc o m p o s i t e s t r u c t u r e i sb e t t e r t h a n t h a t o f p u r e a l u m i n u mf o a m,e s p e c i a l l y i n t h eh i g h f r e q u e n c yb a n d()t h e t r a n s m i s s i o n l o s s o f a l u m i n u mf o a mw i t hs a n d w i c hc o m p o s i t e s t r u c t u r eh a s ap e r i o d i c l a w,t h a t i s,t h e t r a n s m i s s i o n l o s s f i r s t i n c r e a s e s a n d t h e nd e c r e a s e s i n t h e l o wf r e q u e n c yb a n d,f i r s t d e c r e a s e s a n d t h e n i n c r e a s e s i n t h em e d i u mf r e q u e n c yb a n d,a n dg r a d u a l l y i n c r e a s e s i n t h eh i g h f r e q u e n c yb a n d K e yw o r d s:C OM S O L;C o m p o s i t es t r u c t u r e;A l u m i n u mf o a m;T r a n s m i s s i o nl o s s基金资助:西安航空职业技术学院自然科学类院级一般项目(项目号:XH Z K )作者简介:付强(),男,陕西汉中人,毕业于宁夏大学,硕士研究生,教师,研究方向为振动与噪声.泡沫铝是一种轻质多孔金属材料,在其铝基体中含有不计其数的气泡,且同时呈现出金属相气泡特征,是一种应用前景十分广阔的物理功能性材料.由于泡沫铝具有轻质、高比刚度、高比强度、吸声隔热、阻尼减震、电池屏蔽等特点,在航空航天、高速芯片,建筑材料中均有十分重要的应用.由于具有优良的物理性能,近些年泡沫铝材料又逐渐进入汽车应用领域.泡沫铝经典应用之一就是泡沫铝夹层结构,由于综合了泡沫铝和金属板件的性能,这种结构强度较好,得到了广泛的应用.但随着汽车技术的不断发展,在整个汽车新产品开发或选购的过程中,人们对于乘坐过程中的舒适性有了更高的要求.徐平等通过有限元仿真方法研究了泡沫铝复合结构救生舱的隔声性能;唐振正和崔承勋研究了不同复合板密度和厚度对其复合结构的隔声性能影响;梁李斯等研究了打孔泡沫铝和打孔铝板组成的复合结构的吸声性能.可见近年来关于分析泡沫铝三明治复合结构声学性能方面的研究较少,比如将泡沫铝和铝合金或碳纤维复合材料等结合,可以一定程度上加强泡沫铝和其他材料之间的结合力,强化各材料的性能特点.因此,本文利用C OM S O L有限元软件,针对泡沫铝、铝合金和碳纤维复合材料三种材料组合而成的三种常见三明治复合结构泡沫铝进行了三维几何建模和声学建模,并对其传递损失进行了数值仿真计算.分析了不同材料组合对三明治复合结构泡沫铝隔声性能的影响.为实际工程应用中三明治复合结构泡沫铝的设计和优化提供了一定的理论基础.三明治复合结构泡沫铝 三维几何模型将泡沫铝、铝合金、碳纤维复合材料三种材料进行组合,构建了铝合金泡沫铝铝合金、碳纤维复合材料泡沫铝碳纤维复合材料以及碳纤维复合材料泡沫铝铝合金等三种常见三明治复合结构泡沫铝三维几何模型,如图所示,其具体几何尺寸参 数 如 表所示.表三明治复合结构泡沫铝三维几何模型尺寸参数材料半径/c m厚度/c m泡沫铝铝合金 碳纤维复合材料 内燃机与配件w w w n r j p j c n图三明治复合结构泡沫铝三维几何模型 声学模型基于C OM S O L软件构建了铝合金泡沫铝铝合金、碳纤维复合材料泡沫铝碳纤维复合材料以及碳纤维复合材料泡沫铝铝合金等三种常见三明治复合结构泡沫铝声学模型,如图所示,其中泡沫铝、铝合金及碳纤维复合材料技术参数如表所示.表泡沫铝、铝合金及碳纤维复合材料技术参数材料密度/k g/m孔隙率泊松比杨氏模量/MP a泡沫铝 铝合金 /碳纤维复合材料 /图三明治复合结构泡沫铝声学模型三明治复合结构泡沫铝传递损失计算()域方程在传递损失计算过程中使用“压力声学,频域”接口在频域求解此问题.模型求解的方程是修正的亥姆霍兹方程,求解声压p:ppc()其中,c是声速,是密度,是角频率.由于材料不同密度也会不同,因此方程中须包含密度.假设本模型在低频范围内主要存在抗性衰减.因此,不包含阻性衰减.()边界条件边界条件有三种不同类型.在所有固体边界处使用硬声场(壁)边界条件:pn()在入口边界处,假定存在入射平面波和出射平面波的叠加:pni cpi cp()在这个方程中,p表示施加的外部压力,i是虚部单元.在出口边界处,设置一个出射平面波:pni cp()()传递损失下面的方程定义了三明治复合结构泡沫铝的传递损失:T L l o gPi nPo u t()其中,Pi n和Po u t分别表示入口和出口处的声学效应.声学效应使用以下方程计算:Pi n pcd A()Po u t|pc|cd A()仿真与分析 纯泡沫铝结构传递损失基于图、图所示的三维几何模型、声学模型,利用C OM S O L软件计算得到半径 c m,厚度 c m的纯泡沫铝结构传递损失如图所示.图纯泡沫铝结构传递损失通过图可以看出,纯泡沫铝结构传递损失在 H z频段范围内,整体呈现先增后减的趋势,其中在 H z频 段 传 递 损 失 约 从 d B开 始 增 大,在 H z处得到最大值约 d B,当频率大于 H z后传递损失呈现逐渐下降趋势.不同材料组合三明治复合结构泡沫铝传递损失基于图、图所示的三维几何模型、声学模型和技术参数,利用C OM S O L软件计算得到的铝合金泡沫铝铝合金、碳纤维复合材料泡沫铝碳纤维复合材料、碳纤维复合材料泡沫铝铝合金三明治复合结构泡沫铝传递损失分别如图、所示,其传递损失对比分析图如图所示.图铝合金泡沫铝铝合金三明治复合结构泡沫铝传递损失通过图可得知,铝合金泡沫铝铝合金三明治复合结构泡沫铝传递损失,在 H z频段内呈现先增后减的趋势,其中约在 H z处达到最大值约 d B.年第 期当频率大于 H z时传递损失随频率增加而增大,在 H z处达到最大值约 d B,但在 H z频段内出现先减后增现象,在 H z处取得最小值约 d B.当频率大于 H z时,传递损失开始逐渐下降.通过图我们可以看出,碳纤维复合材料泡沫铝碳纤维复合材料三明治复合结构泡沫铝传递损失,在 H z频段内呈现先增后减的趋势,其中约在 H z处达到最大值约 d B.当频率大于 H z时传递损失开始逐渐增大,但在 H z频段内出现先增后减现象,在 H z处 取 得 最 小 值 约 d B.当 频 率 大 于 H z时,传递损失开始逐渐增大.图碳纤维复合材料泡沫铝碳纤维复合材料三明治复合结构泡沫铝传递损失从图可以发现,碳纤维复合材料泡沫铝铝合金三明治复合结构泡沫铝传递损失,在 H z频段内呈现先增后减的趋势,其中在 H z处达到最大值约 d B,在 H z处 得 到 最 小 值 约 d B.当 频 率 大 于 H z时,传递损失开始逐渐增大.图碳纤维复合材料泡沫铝铝合金三明治复合结构泡沫铝传递损失通过图对比分析得知,在低频段和高频段内三明治复合结构泡沫铝隔声性能基本均优于纯泡沫铝结构且铝合金泡沫铝铝合金三明治复合结构泡沫铝性能最佳,但在中高频段,根据不同的频段范围纯泡沫铝结构要明显优于其他组合三明治复合结构.图不同材料组合三明治复合结构泡沫铝传递损失对比分析图结论利用C OM S O L有限元软件对纯泡沫铝结构和三种常见三明治复合结构泡沫铝传递损失进行了仿真计算,通过分析对比可得出以下结论:()当频率在 H z频段范围内时,三明治复合结构泡沫铝的隔声性能要优于纯泡沫铝,但三明治复合结构泡沫铝在 H z频段内传递损失均存在先减后增的 现 象 且 局 部 频 段 隔 声 性 能 较 差,当 频 率 大 于 H z时三明治复合结构泡沫铝相比于纯泡沫铝结构隔声性能优越性更加明显;()三明治复合结构泡沫铝传递损失存在周期性规律,即传递损失在低频段先增后减、中频段先减后增、高频段逐渐增大的趋势且在全频段范围内铝合金泡沫铝铝合金三明治复合结构泡沫铝的隔声性能更为优异.参考文献:张乐,郑顺奇,郑阳升,史秀梅,程英晔我国泡沫铝材料关键技术进展与展望J/O L中国材料进展:T G 徐竹泡沫夹层结构复合材料的研究进展J合成材料老化与应用,():D O I:/徐平,范中海,于英华,沈佳兴圆形泡沫铝复合结构救生舱碰撞及隔声性能分析J安全与环境学报,():D O I:/唐振正,崔承勋泡沫铝复合结构的声学性能研究J延边大学学报(自然科学版),():D O I:/梁李斯,刘诗薇,赵俊学,肖桂枝,武姣娜闭孔泡沫铝板与铝板复合结构吸声性能J有色金属工程,():王正敏,饶伟,李德玉封闭腔体噪声控制中亥姆霍兹共振器的优化设计方法J声学学报,():D O I:/杨芳乙,李旭巍,李力克,石国兵,王鹏通风工程常用消声器传递损失研究J重庆建筑,():