摘    要：泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的物理性能被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，為研究不同材料組合對三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁隔聲性能的影響，利用COMSOL有限元軟件對純泡沫鋁和三種常見三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁三維幾何模型進(jìn)行建模，并對其傳遞損失進(jìn)行了數(shù)值仿真計算。分析了不同材料組合對三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁隔聲性能的影響。結(jié)果表明：(1)三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁的隔聲性能要優(yōu)于純泡沫鋁，尤其在高頻段(2)三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失存在周期性規(guī)律，即傳遞損失在低頻段先增后減、中頻段先減后增、高頻段逐漸增大的趨勢。

關(guān)鍵詞：COMSOL;復(fù)合結(jié)構(gòu);泡沫鋁;傳遞損失;

泡沫鋁是一種輕質(zhì)多孔金屬材料，在其鋁基體中含有不計其數(shù)的氣泡[1],且同時呈現(xiàn)出金屬相氣泡特征，是一種應(yīng)用前景十分廣闊的物理功能性材料。由于泡沫鋁具有輕質(zhì)、高比剛度、高比強(qiáng)度、吸聲隔熱、阻尼減震、電池屏蔽等特點，在航空航天、高速芯片，建筑材料中均有十分重要的應(yīng)用。由于具有優(yōu)良的物理性能，近些年泡沫鋁材料又逐漸進(jìn)入汽車應(yīng)用領(lǐng)域。泡沫鋁經(jīng)典應(yīng)用之一就是泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)[2],由于綜合了泡沫鋁和金屬板件的性能，這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，在整個汽車新產(chǎn)品開發(fā)或選購的過程中，人們對于乘坐過程中的舒適性有了更高的要求。徐平等[3]通過有限元仿真方法研究了泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)救生艙的隔聲性能；唐振正和崔承勛[4]研究了不同復(fù)合板密度和厚度對其復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能影響；梁李斯等[5]研究了打孔泡沫鋁和打孔鋁板組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能。可見近年來關(guān)于分析泡沫鋁三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能方面的研究較少，比如將泡沫鋁和鋁合金或碳纖維復(fù)合材料等結(jié)合，可以一定程度上加強(qiáng)泡沫鋁和其他材料之間的結(jié)合力，強(qiáng)化各材料的性能特點。因此，本文利用COMSOL有限元軟件，針對泡沫鋁、鋁合金和碳纖維復(fù)合材料三種材料組合而成的三種常見三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁進(jìn)行了三維幾何建模和聲學(xué)建模，并對其傳遞損失進(jìn)行了數(shù)值仿真計算。分析了不同材料組合對三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁隔聲性能的影響。為實際工程應(yīng)用中三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁的設(shè)計和優(yōu)化提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁

1.1 三維幾何模型

將泡沫鋁、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料三種材料進(jìn)行組合，構(gòu)建了鋁合金-泡沫鋁-鋁合金、碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-碳纖維復(fù)合材料以及碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-鋁合金等三種常見三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁三維幾何模型，如圖1所示，其具體幾何尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁三維幾何模型尺寸參數(shù)

圖1 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁三維幾何模型  

1.2 聲學(xué)模型

基于COMSOL軟件構(gòu)建了鋁合金-泡沫鋁-鋁合金、碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-碳纖維復(fù)合材料以及碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-鋁合金等三種常見三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁聲學(xué)模型，如圖2所示，其中泡沫鋁、鋁合金及碳纖維復(fù)合材料技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 泡沫鋁、鋁合金及碳纖維復(fù)合材料技術(shù)參數(shù)

圖2 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁聲學(xué)模型  

2 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失計算

(1)域方程

在傳遞損失計算過程中使用“壓力聲學(xué)，頻域”接口在頻域求解此問題。模型求解的方程是修正的亥姆霍茲方程[6],求解聲壓p:

其中，c是聲速，ρ是密度，ω是角頻率。由于材料不同密度也會不同，因此方程中須包含密度。假設(shè)本模型在低頻范圍內(nèi)主要存在抗性衰減。因此，不包含阻性衰減。

(2)邊界條件

邊界條件有三種不同類型。在所有固體邊界處使用硬聲場 (壁)邊界條件：

在入口邊界處，假定存在入射平面波和出射平面波的疊加：

在這個方程中，p0表示施加的外部壓力，i是虛部單元。在出口邊界處，設(shè)置一個出射平面波：

(3)傳遞損失

下面的方程定義了三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁的傳遞損失[7]:

其中，Pin和Pout分別表示入口和出口處的聲學(xué)效應(yīng)。聲學(xué)效應(yīng)使用以下方程計算：

3 仿真與分析

3.1 純泡沫鋁結(jié)構(gòu)傳遞損失

基于圖1、圖2所示的三維幾何模型、聲學(xué)模型，利用COMSOL軟件計算得到半徑5cm, 厚度3cm的純泡沫鋁結(jié)構(gòu)傳遞損失如圖3所示。

圖3 純泡沫鋁結(jié)構(gòu)傳遞損失 

通過圖3可以看出，純泡沫鋁結(jié)構(gòu)傳遞損失在100-5000Hz頻段范圍內(nèi)，整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其中在100-3000Hz頻段傳遞損失約從19dB開始增大，在3000Hz處得到最大值約44dB,當(dāng)頻率大于3000Hz后傳遞損失呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。

3.2 不同材料組合三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失

基于圖1、圖2所示的三維幾何模型、聲學(xué)模型和技術(shù)參數(shù)，利用COMSOL軟件計算得到的鋁合金-泡沫鋁-鋁合金、碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-碳纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-鋁合金三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失分別如圖4、5、6所示，其傳遞損失對比分析圖如圖7所示。

圖4 鋁合金-泡沫鋁-鋁合金三明治 復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失

通過圖4可得知，鋁合金-泡沫鋁-鋁合金三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失，在100-2800Hz頻段內(nèi)呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其中約在1500Hz處達(dá)到最大值約48dB。當(dāng)頻率大于2700Hz時傳遞損失隨頻率增加而增大，在4900Hz處達(dá)到最大值約63dB,但在4200-4400Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)先減后增現(xiàn)象，在4300Hz處取得最小值約55dB。當(dāng)頻率大于4900Hz時，傳遞損失開始逐漸下降。

通過圖5我們可以看出，碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-碳纖維復(fù)合材料三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失，在100-3500Hz頻段內(nèi)呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其中約在1900Hz處達(dá)到最大值約47dB。當(dāng)頻率大于3500Hz時傳遞損失開始逐漸增大，但在4700-4900Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)先增后減現(xiàn)象，在4800Hz處取得最小值約41dB。當(dāng)頻率大于4900Hz時，傳遞損失開始逐漸增大。

圖5 碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-碳纖維復(fù)合材料 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-鋁合金三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失，在100-3100Hz頻段內(nèi)呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其中在1700Hz處達(dá)到最大值約48dB,在3100Hz處得到最小值約16dB。當(dāng)頻率大于3100Hz時，傳遞損失開始逐漸增大。

圖6 碳纖維復(fù)合材料-泡沫鋁-鋁合金 三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失 

通過圖7對比分析得知，在低頻段和高頻段內(nèi)三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁隔聲性能基本均優(yōu)于純泡沫鋁結(jié)構(gòu)且鋁合金-泡沫鋁-鋁合金三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁性能最佳，但在中高頻段，根據(jù)不同的頻段范圍純泡沫鋁結(jié)構(gòu)要明顯優(yōu)于其他組合三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖7 不同材料組合三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失對比分析圖   

4 結(jié)論

利用COMSOL有限元軟件對純泡沫鋁結(jié)構(gòu)和三種常見三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失進(jìn)行了仿真計算，通過分析對比可得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)頻率在100-2300Hz頻段范圍內(nèi)時，三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁的隔聲性能要優(yōu)于純泡沫鋁，但三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁在2300-3800Hz頻段內(nèi)傳遞損失均存在先減后增的現(xiàn)象且局部頻段隔聲性能較差，當(dāng)頻率大于3800Hz時三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁相比于純泡沫鋁結(jié)構(gòu)隔聲性能優(yōu)越性更加明顯；

(2)三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁傳遞損失存在周期性規(guī)律，即傳遞損失在低頻段先增后減、中頻段先減后增、高頻段逐漸增大的趨勢且在全頻段范圍內(nèi)鋁合金-泡沫鋁-鋁合金三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)泡沫鋁的隔聲性能更為優(yōu)異。

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文章來源：內(nèi)燃機(jī)與配件