一种水平带间隙超材料的水下潜器法兰

本发明属于海洋水下工程，具体涉及一种水平带间隙超材料的水下潜器法兰。

背景技术：

1、由于电磁波和光波在水中存在剧烈衰减现象，因此深远海水下潜器的水下探测、导航和通讯主要基于能够实现长距离传播的声学设备。鱼雷、潜艇、arv等水下潜器在运行时不可避免地产生辐射噪声。高自噪声水平一方面会使背景噪声过大导致声学设备无法使用；另一方面也增加了暴露风险。辐射噪声大小是其声隐身及操控性能的重要指标，但目前深远海水下潜器及的辐射噪声控制中存在低频/中低频段宽频降噪难题。而传统的振动噪声控制手段存在作用频段较窄、需要复杂设计以及消耗大量能量等问题。

2、对于水下潜器，其壳体的振动噪声主要由动力装置产生，并由法兰结构进行传递。水下潜器的法兰结构主要用于水下设备的连接和密封。常见的结构形式包括平面法兰、凹凸法兰和超窄法兰。平面法兰主要用于与设备端面的连接，而凹凸法兰和超窄法兰则用于不同设备的连接。这些法兰结构通常由铝合金、铸铁、铸钢、锻钢和不锈钢等材料制成。常见的法兰结构主要用于设备的支撑，因此主要考虑刚度和刚度是否满足要求，而往往忽略其动力学特性，因此往往不能对动力装置的振动进行有效抑制。

3、带隙超材料是一种人工设计的用于抑制特定频段弹性波在其内部传播的周期性结构。在实际的结构中弹性波以振动的形式表现出来，因此带隙超材料结构可以抑制特定频段的振动，具有隔振的力学特性；如果带隙超材料结构受声波激励，声波在其内部会转化为弹性波的形式继续传播，因此对特定频率的声波带隙超材料结构也具有隔声的声学特性。因此带隙超材料在特定频段范围内具有良好的减振降噪效果。

4、目前，一些文献探讨了带隙超材料在水下潜器中的应用前景。例如一种水下亚波长空间盘绕型声学超材料，201811034463[p].4.2018.09.05，夏百战等提出了一种水下亚波长空间盘绕型声学超材料，但是该材料存在该结构复杂，结构重量较大的缺点。例如quy, meng g. three-dimensional elasticity solution for vibration analysis offunctionally graded hollow and solid bodies of revolution. part i: theory[j/ol]. european journal of mechanics - a/solids, 2014, 44: 222-233. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2013.11.004，该文章作者设计了由星形胞元组成的水下潜器外壳，从整体结构的角度出发，验证了带隙超材料对振动控制的有效性但是没有从胞元的角度进行带隙设计，无法实现特定频段的振动控制。例如li q, li p, guo y, 等.a comparative study on mechanical and vibroacoustic performance of sandwichcylindrical shells with positive, negative, and zero poisson’s ratio cellularcores[j/ol]. journal of ocean engineering and science, 2022[2023-05-18].https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2468013322002388，李清等从胞元层面设计了由正、零、负泊松比胞元构成的胞元结构，并进行周期性序构形成水下潜器外壳。然而，由于水下潜器的空间有限，基于壳体的带隙超材料设计往往需要过多的占用空间，降低水下潜器的可使用性；另外基于壳体的带隙超材料存在尺寸限制，胞元尺寸通常较小，这就导致胞元的带隙频率较高，难以实现中低频的振动控制。

技术实现思路

1、本发明提供一种水平带间隙超材料的水下潜器法兰，能够解决现有技术方案中存在的缺少胞元带隙设计、中低频振动难以控制、空间尺寸限制较大，造成水下航行器的振动噪声问题。

2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供一种水平带间隙超材料的水下潜器法兰，其包括突缘结构、位于所述突缘结构外围的轮缘结构、以及连接所述突缘结构和所述轮缘结构的水平加肋网架，所述水平加肋网架上设置有带间隙超材料的星形胞元序构，所述星形胞元序构为3层圆周阵列星形胞元，每层圆周阵列星形胞元的数量为15个；

4、每个星形胞元包括4个尖角结构、4条延伸线段、以及位于用于连接4个尖角结构的4条折线段；每条延伸线段的端部连接至与其相邻一条折线段的拐角处；其中，每个星形胞元x、y方向尺寸不同，星形胞元y方向的径向尺寸为ly，星形胞元x方向周向尺寸为lx；星形胞元的相邻两条折线段中相邻两边长分别为a和b，边长b与lx的夹角为γ，边长a与ly的夹角为θ，星形胞元在x方向的延伸线段的长度为m，星形胞元在y方向的延伸线段的长度为l，星形胞元主体部分为4条折线段，星形胞元集中质量部分为星形胞元的4个尖角结构；星形胞元主体部分的厚度为t1，星形胞元集中质量部分的厚度为t2，集中质量区域长度为(0.1～0.2)a和(0.1～0.2)b，存在关系：lx=2(l+b×sin(γ)-a×cos(θ))、ly=2(l+b×cos(γ)-a×sin(θ))，l<(lx/2)，m<(ly/2)，a×cos(θ)<l，b×cos(γ)<m。

5、根据本发明一可选实施例，所述突缘结构中心位置设置有安装孔，用于轴与轴之间相互连接；所述轮缘结构边缘设置有多个凸出的固定孔，所述水平加肋网架包括多条环形结构和连接多条环形结构的径向横梁。

6、根据本发明一可选实施例，所述星形胞元的尖角结构不能超过星形胞元在x和y方向上延伸线段形成矩形范围。

7、根据本发明一可选实施例，星形胞元的y方向尺寸ly为33mm，星形胞元的x方向尺寸lx为50mm，l为20mm，m为13.02mm，θ为40°，a为22mm，通过尺寸约束条件确定b为24.31mm，γ为64°，星形胞元主体厚度t1为1mm，集中质量部分的厚度t2为2.2mm。

8、根据本发明一可选实施例，星形胞元序构布置范围为半径104.55mm~203.55mm，3层圆周阵列星形胞元外径分别为137.55mm、170.55mm、203.55mm，最内圈星形胞元外径对应的圆周长度为50.8mm，3层圆周阵列星形胞元的弯曲角度为21.176°。

9、有益效果：本发明公开了一种水平带间隙超材料的水下潜器法兰，包括突缘结构、位于突缘结构外围的轮缘结构、以及连接突缘结构和轮缘结构的水平加肋网架，水平加肋网架上设置有带间隙超材料的星形胞元序构，星形胞元序构为3层圆周阵列星形胞元，每层圆周阵列星形胞元的数量为15个；本发明一方面区别于传统的振动控制手段，可以实现特定频段的振动宽频控制，另一方面区别于已有的基于壳体的带隙超材料设计，可以不占用壳体内不过多空间的同时实现中低频振动控制，同时增加轴向强度和刚度，从胞元层面进行设计，调节胞元带隙频率使其涵盖要求的结构振动控制频率，实现结构振动控制的高效化设计。本发明基于周期性结构理论，将集中质量引入星形胞元设计了可调控带隙的星形胞元，从胞元层面确定了带隙频率范围并使其与目标振动控制频率范围相匹配，提高了以振动控制为导向的结构优化设计的效率和准确性，增加了法兰轴向强度和刚度，解决了传统振动控制方法中难以实现中低频宽频振动衰减的难题。此外，本发明基于法兰结构进行的带隙超材料设计，在振动传递路径上对结构进行控制，有效降低了结构自身尺寸限制对胞元设计的影响，合理使用水下潜器内部空间，提高带隙超材料在水下潜器中的可用性。