低温环境下复合材料飞机壁板结构隔声特性研究_董宁娟.pdf

第 41 卷第 6 期2022 年 12 月Vol.41,No.6Dec.,2022声学技术Technical Acoustics低温环境下复合材料飞机壁板结构隔声特性研究董宁娟，彭 涛，燕 群(中国飞机强度研究所，陕西西安 710065)摘要：环境温度变化影响复合材料壁板的隔声性能，关系到飞机舱内噪声水平，是一个亟待研究的问题。文章开展常温和低温状态下的隔声建模方法研究，然后搭建常温和低温环境下的复合材料壁板结构隔声性能测试系统，实测结果和数值计算结果基本一致。最后通过大量隔声试验，获得复合材料壁板低温环境下的隔声性能特点，进一步分析温度从4040变化时复合材料壁板在5010 000 Hz 1/3倍频程的隔声规律。试验结果表明，在中心频率为50500 Hz时，复合材料壁板在低温环境下的隔声性能总体好于常温下的隔声性能，且温度对壁板隔声量的影响较大。关键词：复合材料；隔声特性；低温环境中图分类号：TU112 文献标志码：A 文章编号：1000-3630(2022)-06-0887-07Analysis of sound insulation performance of composite aircraft panels in low temperature environmentsDONG Ningjuan,PENG Tao,YAN Qun(China Aircraft Strength Research Institute,Xi an 710065,Shaanxi,China)Abstract:Environmental temperature changes affect the sound insulation performance of composite panels,and are related to the noise level in the cabin,which is a subject to be studied urgently.In this paper,the sound insulation modeling methods under normal temperature and low temperature are studied,and then the sound insulation test systems for composite panel structures in normal temperature and low temperature environments is built.The measured results are generally in agreement with the numerical calculation results.Finally,through a large number of sound insulation tests,the sound insulation characteristics of composite panels at low temperatures are obtained,and the sound insulation performances of composite panels in the range of 1/3 octaves from 50 Hz to 10 000 Hz when the temperature changes from 40 to+40 are further analyzed.The test results show that at a central frequency of 50 to 500 Hz,the sound insulation performance of composite aircraft panels is generally better at low temperatures than at normal temperatures,and the temperature has a great influence on the sound transmission loss of the panels.Key words:composite panels;sound insulation performance;low temperature environment0引 言随着航空工业的发展，飞机舱内噪声水平成为衡量飞机品质的重要指标1。飞机壁板隔声是优化噪声传递路径，降低舱内噪声水平的有效方式。当前，飞机壁板多采用复合材料加筋结构。国内外学者在飞机壁板隔声分析计算和实验测量等方面做了大量工作。文献2-3利用统计能量的方法来预测飞机壁板的隔声量。也有学者利用模态展开方法计算了飞机壁板在扩散场下的隔声性能4-6。顾金桃等通过实验研究了壁板结构形式、隔声隔热层和内饰板安装方式对飞机壁板隔声特性的影响7。但上述研究均未涉及到温度对壁板隔声性能的影响。环境温度对复合材料各项力学参数影响较大，进而影响其声学性能，所以开展低温环境下复合材料壁板隔声的特性研究十分重要。本文通过对低温状态下的飞机复合材料壁板结构的隔声性能进行仿真设计，并搭建了对应的试验系统，对低温条件下飞机壁板结构隔声试验技术进行研究，进一步分析隔声性能对温度的敏感性。引用格式：董宁娟,彭涛,燕群.低温环境下复合材料飞机壁板结构隔声特性研究J.声学技术,2022,41(6):887-893.DONG Ningjuan,PENG Tao,YAN Qun.Analysis of sound insulation performance of composite aircraft panels in low temperature environmentsJ.Technical Acoustics,2022,41(6):887-893.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2022.06.014收稿日期:2021-05-27;修回日期:2021-08-13作者简介:董宁娟(1982)，女，陕西省宝鸡市人，硕士，研究方向为航空声学。通信作者:董宁娟，E-mail:2022 年声学技术1温度对复合材料力学性能的影响与金属材料相比，复合材料具有强度高、刚度大、阻尼特性好、耐疲劳、品种多、可设计性强等优点。因此，在航空航天、汽车工业、船舶制造等领域有着广泛应用，其中，广泛开展了关于复合材料板壳结构的振动、声辐射、声散射等声学问题的研究8。但是，由于复合材料存在破坏模式复杂，抗冲击能力较弱，强度、刚度等特性敏感，湿热效应和老化现象严重等问题，且受制造工艺、加工方法等因素的影响，材料性能数据分散性较大。因此，复合材料结构的多学科优化设计研究对提高其综合性能显得尤为重要。本文通过对T700/BA9916复合材料进行材料力学性能测试，分析温度对复合材料力学性能的影响。该材料是由碳纤维T700和环氧树脂BA9916，按照45、0、45的角度铺设高温固化而成，每层 碳 纤 维 厚 度 为 0.125 mm。分 别 进 行 常 温(24)、低温(35)环境下的拉伸试验。本项试验采用INSTRON 8801电液伺服试验系统进行加载，该系统最大载荷为100 kN，低温控制采取的方法是将试验件及加载端放置于温度控制箱内，并采用液化氮进行冷却降温。试验照片如图1所示，测得的各力学参数试验结果如表1所示。从表1可以看出，随着温度的变化复合材料的强度、模量以及泊松比变化均较大。随着复合材料在客机机身上的大面积使用，为了能够降低高空巡航状态舱内噪声水平，需要更清楚地了解低温环境对其声学特性的影响。2复合材料壁板结构隔声仿真分析壁板隔声分析首先需要完成壁板隔声建模，目前主流的壁板隔声建模技术有统计能量法和声学有限元方法。统计能量法将模型分为不同的子系统区域，需要模态密度足够大才能满足其使用条件，主要适用于高频计算。但是统计能量法无法对壁板细节结构进行详细建模，而声学有限元方法通过对壁板和座舱结构划分网格，建立相应的数值分析模型。壁板隔声分析建模包括模型简化、几何处理、网格划分、材料参数定义和载荷定义等。模型简化通过合理简化不影响隔声量的小特征结构来达到减少计算网格数量的目的。网格划分需要保证在最大分析频率上有足够的分辨率。复合材料的参数定义包括弹性模量、泊松比和密度的定义。载荷定义主要是外部载荷，包括声学载荷和结构振动载荷。载荷可通过实验测量得到，或根据理论模型计算。壁板隔声分析的噪声测点一般布置在舱内，对机身内壁到舱内乘客位置的传播区域建立流体域模型。流体域和壁板通过耦合面进行数据传递。通过以上过程，实现完整的壁板隔声分析建模，利用声学分析软件完成复合材料壁板隔声计算和分析。2.1隔声仿真模型建立本次复合材料壁板结构隔声建模的对象为某真实飞机壁板结构(如图2所示)。该复合材料壁板结构主要是以碳纤维(T700)材料为基层，环氧树脂图1常温和低温环境下的复合材料拉伸试验状态Fig.1The tensile test states of composite material in normal and low temperature environments表1拉伸试验结果Table 1Tensile test results试验温度/2435强度Xt/MPa2 2362 091模量E1t/GPa113110泊松比0.2960.258图2 复合材料壁板结构Fig.2 Structure of composite panel888第 6 期董宁娟等：低温环境下复合材料飞机壁板结构隔声特性研究(BA9916)为胶层铺设而成，投影尺寸为2 080 mm1 440 mm。在常温(24)、低温(35)下进行仿真建模分析，并与后期实际测试数据进行对比，分析温度对复合材料壁板结构隔声性能的影响。该复合材料壁板结构是以蒙皮结构为主，采取横向和纵向双向加筋的方式。该壁板结构设置最大网格单元尺寸为10 mm，采用 Quad4 网格，共计 15.6 万个网格节点，15万个网格单元。对应的有限元模型如图3所示，针对这种结构在利用统计能量法进行隔声预计时，为了保证模型计算的准确性，在进行模型简化处理的同时，需要对加强筋进行等效处理，即通过在模型中结合原有的长桁、框结构的具体结构特性参数，将其定义成梁的方式，并在软件中完成梁单元的建模，结合实际结构中的长桁、框结构的实际布置方式，完成其定义，添加至模型中，进而完成壁板结构加强筋的建模。在VA One软件中，通过输入壁板有限元模型进行子系统划分，并完成复合材料壁板结构隔声仿真分析模型的建立。参照混响室半消声室隔声测试方法，完成复合材料壁板结构子系统划分、声空腔定义及参数设定。分别采用5个结构子系统和8个结构子系统进行子系统划分，其中5个子系统的划分按照两框之间蒙皮及长桁结构为1个子系统，如图4(a)所示；8个子系统的划分按照每两框之间的蒙皮及长桁结构在航向上划分为2个子系统，如图4(b)所示，完成该结构隔声仿真模型的建立，最终建立的复合材料壁板结构隔声仿真模型如图5所示，其中包含结构子系统5个，声空腔子系统2个。2.2复合材料壁板结构隔声仿真计算对上述复合材料壁板结构按照图4中的5个子系统和8个子系统进行划分，进而完成声空腔子系统的建模。通过进行常温和低温状态下的隔声仿真计算，可得壁板结构在24和35时的隔声计算结果如图6所示。从图6中可以看出，在24时，分别采用5个和8个子系统时，计算得到的隔声量基本相当，因此，35时选取其中一种子系统进行仿真即可，在此选取5个子系统进行隔声仿真计算。由于复合材料随温度变化，其对应的力学性能参数也发生变化，根据这一特点，结合力学性能实测数据，以复合材料壁板结构隔声仿真分析模型为对象，定义低温条件下(35)的碳纤维材料参数，完成了低温环境下的复合材料壁板结构隔声计算，结果如图6所示。3复合材料壁板结构隔声试验测试3.1常温环境下复合材料壁板