碟形弹簧式超材料低频隔振管路及基于管路的连接系统

技术领域

本发明涉及碟形弹簧式超材料低频隔振管路及基于管路的连接系统，属于海水管路技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展与人类生活水平的提高，潜艇等舰船系统中使用了大量的泵类结构，管路输送作为泵类结构的关键连接环节大量应用在舰船领域中。

由于流体流速的作用，管路在输送能量介质的过程中，会产生振动和噪声问题。这种管路系统的流致振动与流致噪声将对管路输送稳定性产生不利影响。现有管路的设计，不能兼顾减振与承载的双重要求，无法满足工程实际中的使用。

因此在满足管路系统内压承载情况下，能够进行减振降噪设计，成为保障船舶海水管路系统能量输送稳定性的关键环节。

发明内容

针对现有海水管路无法在满足内压承载情况下实现减振降噪的问题，本发明提供一种碟形弹簧式超材料低频隔振管路及基于管路的连接系统。

本发明的一种碟形弹簧式超材料低频隔振管路，包括主体骨架，

所述主体骨架包括由多个碟形单胞顺次连接成的碟形弹簧结构，每个碟形单胞包括两个碟形单体；每个碟形单体外轮廓呈圆台形，具有大端口和小端口；两个碟形单体的小端口对接形成一个碟形单胞；

所述碟形弹簧结构内表面和外表面分别填充软质隔声层，形成主体骨架的圆筒结构。

根据本发明的碟形弹簧式超材料低频隔振管路，所述碟形单胞至少为3个。

根据本发明的碟形弹簧式超材料低频隔振管路，所述圆筒结构内圆半径r2≥100mm，圆筒结构外圆半径为R2，满足以下关系式：

10mm≤R2-r2≤30mm。

根据本发明的碟形弹簧式超材料低频隔振管路，碟形单体的厚度为a，a≥1mm；

碟形单体的小端内圆半径r1≥102mm，大端外圆半径为R1，满足以下关系式：

8mm≤R1-r1≤28mm。

根据本发明的碟形弹簧式超材料低频隔振管路，所述软质隔声层为天然橡胶层。

本发明还提供了一种基于管路的连接系统，基于所述碟形弹簧式超材料低频隔振管路构成，其特征在于包括主体骨架和对称连接在主体骨架两侧的两个连接单元；

每个连接单元包括连接环、轴向运动限制环、环向运动限制环和法兰，

连接环与主体骨架的端面固定连接，连接环的外端面上设置卡扣凸部，卡扣凸部与轴向运动限制环内壁的卡扣凹部对应固定连接；轴向运动限制环的环内套接环向运动限制环，环向运动限制环用于限制轴向运动限制环的圆周向位置；

轴向运动限制环的外侧端面与法兰的内侧端面固定连接，同时环向运动限制环的外端伸入法兰内部，并与法兰内壁固定连接。

根据本发明的基于管路的连接系统，所述法兰与轴向运动限制环和环向运动限制环焊接固定。

根据本发明的基于管路的连接系统，连接环的卡扣凸部为6个，沿圆周向均匀分布。

根据本发明的基于管路的连接系统，连接环的卡扣凸部呈顶端向外环延伸的直角倒勾状，卡扣凸部的直角倒勾勾尖与轴向运动限制环内壁的卡扣凹部卡扣固定，使轴向运动限制环的轴向位置固定。

根据本发明的基于管路的连接系统，轴向运动限制环、环向运动限制环和法兰的材质为45号钢。

本发明的有益效果：本发明管路的主体骨架采用了碟形单胞组成的轴向周期结构，碟形单胞的两个碟形单体沿接触面对称，碟形单胞两侧由软质隔声材料灌注。再基于管路两侧设置连接单元构成管路连接系统。

本发明设计的管路及连接系统主要用于船舶、潜艇等海水管路系统领域，能够在低频段实现宽频带隙性能，在中高频段实现良好的减振降噪性能。本发明的周期管路结构设计合理，构型简单易加工，相比于普通薄壁圆筒管路，在低频段具有更良好的减振降噪效果；同时，能够满足实际使用工况所需要的承载指标。因此，本发明所述管路及连接系统具有很高的适用性。

本发明考虑工程实际问题，对于不可焊接材料制作的具有隔振效果的管路，提供了一种连接系统，该系统实现了不可焊接材料与法兰的连接，且能够保证连接的密封性与连接的可靠性，同时具有极为广泛的应用范围。本发明可用于海水管路结构系统的低频减振，尤其适用于具有内部流体压强的管路结构中。

附图说明

图1是本发明所述碟形弹簧式超材料低频隔振管路的两端配置连接环后的结构示意图；

图2是基于管路的连接系统的分体结构示意图；

图3是基于管路的连接系统的整体结构示意图；

图4是基于管路的连接系统一侧的连接单元中环向运动限制环和法兰待安装时的示意图；

图5是连接系统中一个法兰待安装时的示意图；

图6是法兰与环向运动限制环连接后与轴向运动限制环的对应关系示意图；

图7为碟形单体的结构剖面示意图；

图8为圆筒结构的包胶参数示意图；

图9为圆筒结构的实体示意图；

图10为连接环的参数示意图；

图11为连接环卡扣结构参数示意图；

图12是连接环的具体可实施结构示意图；

图13是连接环的卡扣的可实施结构示意图；

图14是轴向运动限制环的第一部分结构参数示意图；

图15是轴向运动限制环的第二部分结构参数示意图；

图16是轴向运动限制环的结构示意图；

图17是轴向运动限制环的局部结构示意图；

图18是环向运动限制环的第一部分结构参数示意图；

图19是环向运动限制环的第二部分结构参数示意图；

图20是环向运动限制环的结构示意图；

图21是碟形弹簧结构的传声损失频响图；

图22是本发明连接系统输入端与输出端振动位移响应频响曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图6所示，本发明提供了一种碟形弹簧式超材料低频隔振管路，包括主体骨架1，所述主体骨架1的材质为超材料；

所述主体骨架1包括由多个碟形单胞顺次连接成的碟形弹簧结构，每个碟形单胞包括两个碟形单体；每个碟形单体外轮廓呈圆台形，具有大端口和小端口；两个碟形单体的小端口对接形成一个碟形单胞；

所述碟形弹簧结构内表面和外表面分别填充软质隔声层2，形成主体骨架具有一定厚度的圆筒结构。

本实施方式中碟形弹簧结构形成的轴向人工周期结构，有m个单胞结构沿管路轴向排列，此排列具有周期结构带隙特性，可减振降噪，在输送介质时可抑制振动，降低噪声。碟形弹簧结构为轴对称结构，具有轴向减振的功能；软质隔声层2可实现降噪。

主体骨架1的材质可以为PLA材料，具有不能够焊接的特性。例如为树脂、尼龙、硬塑及铝合金；灌注橡胶材料采用聚氨酯等可合成胶状材料。

进一步，结合图1至图5所示，所述碟形单胞至少为3个。

碟形单胞个数根据长度需求选择，其结构具备显著的减振效果。

再进一步，所述圆筒结构内圆半径r2≥100mm，圆筒结构外圆半径为R2，满足以下关系式：

10mm≤R2-r2≤30mm。

结合尺寸的选择，可使圆筒结构管路具有更好的连接、减振和支撑作用。

碟形单体的厚度为a，a≥1mm；

碟形单体的小端内圆半径r1≥102mm，大端外圆半径为R1，满足以下关系式：

8mm≤R1-r1≤28mm。

碟形单体的厚度选择能够满足工程背景要求的频率范围内的隔振效果。可根据实际工况需求，有带隙机理的理论公式进行计算选择尺寸以及材料。调整方法为，碟形弹簧的壁厚变薄时，禁带位置向低频移动，反之往高频移动。

作为示例，所述软质隔声层2为软质天然橡胶层。软质隔声层2用于隔声隔振，同时具有支撑作用。

本实施方式利用人工超材料结构的Bragg带隙特性，能够有效降低特定频率范围内的振动传播性能，从而达到隔振降噪的目的。可为发展周期结构或声子晶体弹性波超材料提供新思路。

采用ANSYS软件进行仿真计算，结果表明，本发明所述管路在0Hz-700Hz内具有极佳的隔振效果，在800Hz-1000Hz内具有多个带隙。

本实施方式中管路的各部分结构尺寸可根据需要进行调整，来实现特定频域下的隔振作用。

本实施方式采用周期超材料结构设计，构建Bragg周期结构，主要将产生Bragg带隙，其出现的频率位置主要受Bragg条件控制。可以通过调整碟形弹簧的厚度，轴向周期数量以及填充橡胶的材料来实现在特定频域范围内的隔振和降噪目的。可有效抑制轴向振动在低频段的传递特性，使用于低频减振隔振的实际工程中。

具体实施方式二、结合图2至图6所示，本发明还提供了一种基于管路的连接系统，基于具体实施方式一所述碟形弹簧式超材料低频隔振管路构成，包括主体骨架1和对称连接在主体骨架1两侧的两个连接单元；

每个连接单元包括连接环2、轴向运动限制环3、环向运动限制环4和法兰5，

连接环2与主体骨架1的端面固定连接，连接环2的外端面上设置卡扣凸部，卡扣凸部与轴向运动限制环3内壁的卡扣凹部对应固定连接；轴向运动限制环3的环内套接环向运动限制环4，环向运动限制环4用于限制轴向运动限制环3的圆周向位置；

轴向运动限制环3的外侧端面与法兰5的内侧端面固定连接，同时环向运动限制环4的外端伸入法兰5内部，并与法兰5内壁固定连接。

具体实施方式一所述的主体骨架1采用超材料制成，其作为降噪隔振管路无法与法兰焊接固定。因此本实施方式设计了带内扣的连接系统，通过转接结构的设计，使主体骨架1可与法兰连接，并具有较好的密封效果。所述连接系统可靠性高并对使用要求低。

轴向运动限制环3和环向运动限制环4连接在主体骨架1两端，可对主体骨架1在环向和轴向上的运动进行限制。

作为示例，所述法兰5与轴向运动限制环3和环向运动限制环4焊接固定。

作为示例，连接环2的卡扣凸部为6个，沿圆周向均匀分布。

结合图1和图2所示，连接环2的卡扣凸部与轴向运动限制环3内壁的卡扣凹部构成内扣结构。同时轴向运动限制环3内壁沿圆周向相间隔的设置齿槽，与环向运动限制环4内侧端面上设置的齿槽配合，使轴向运动限制环3的周向位置被固定，进而固定主体骨架1的圆周向位置；环向运动限制环4的齿槽嵌入轴向运动限制环3内壁的齿槽后，外侧端部高于轴向运动限制环3，环向运动限制环4的外端部嵌入到法兰5环内与法兰5内壁焊接固定，同时轴向运动限制环3的外端面与法兰5的内端面焊接固定。

再进一步，结合图1和图2所示，连接环2的卡扣凸部呈顶端向外环延伸的直角倒勾状，卡扣凸部的直角倒勾勾尖与轴向运动限制环3内壁的卡扣凹部卡扣固定，使轴向运动限制环3的轴向位置固定。在直角倒勾勾尖处可设置防轴向运动限制环3环向运动的扣锁。

作为示例，连接环2、轴向运动限制环3、环向运动限制环4和法兰5均为钢制结构，材质为45号钢材，间接实现了主体骨架1与法兰5的焊接连接。

具体实施例一：

对连接系统的具本参数选择如下：

结合图7所示，a＝4mm，r1＝126mm，R1＝144mm，单个碟形单体的轴向高度z＝28.75mm。

结合图8所示，碟形弹簧结构包胶之后形成圆筒结构，取r2＝125mm，R2＝145mm，b＝R2-R1，为包胶后圆筒结构外圆半径与碟形单体大端外圆半径为R1的差值，b＝1mm；

结合图10至图13所示，连接环2的参数可选择如下：c为连接环圆环的轴向高度，c＝2mm；r3为连接环卡扣的内半径，r3＝125mm；R3为连接环卡扣外半径，R3＝138mm；α2为连接环卡扣在环向的度数，α2＝30度；θ2为卡扣下端环向扣的环向宽度，θ2＝30度；β为卡扣圆形镂空部位的圆心与含有镂空端面在环向的宽度β＝3度；d＝R3-r3，为卡扣在径向的跨度，d＝13mm；e为卡扣的轴向高度，e＝20mm；k为卡扣内壁的径向跨度，k＝5mm；l为卡扣的扣的径向跨度，l＝4mm；j为卡扣外壁的径向跨度，j＝4mm；f为卡扣的上段的轴向高度，f＝3mm；g为矩形镂空的轴向高度，g＝2mm；h为矩形镂空下部分结构的轴向高度，h＝4mm；r6为圆形镂空半径，r6＝3mm；

结合图14和至图17所示，r4为轴向限制环内径，r4＝130mm；R4为中轴向限制环外径，R4＝145mm；α3为轴向限制环卡扣在环向的宽度，α3＝28度；θ3为轴向限制环不带卡扣部分的跨度，θ3＝32度；m1为轴向限制环内壁的径向厚度，m1＝3.4mm；n为轴向限制环卡扣在径向的跨度，n＝4.2mm；o为轴向限制环的外壁的壁厚，o＝7mm；r为外壁在轴向高于内壁的高度，r＝3.4mm；q为内壁在轴向高于卡扣的高度，q＝5mm；p为下壁面在轴向的厚度，p＝11.5mm；m2为卡扣在环向的周期数，m2＝6；

结合图18至图20所示，α4为环向运动限制环的凸起部分在环向的跨度，α4＝28度；θ4为环向限制环的凹陷部分在环向的跨度，θ4＝32度；s为凹陷部分在轴向的高度，s＝14mm；t为凸起在轴向高于凹陷的高度，t＝15mm；u为环在径向的跨度，u＝11.5mm；r5为环向限制环的内径，r5＝125mm；R5为环的外径，R5＝136.5mm；

本实施例的参数选择，可使连接系统将不可焊接材料制作的隔振管路与金属法兰牢固连接。

结合图21和图22所示，碟形弹簧结构参数进行上述选择后，在0Hz-400Hz频带具有较宽的宽频隔振效果。

在这个频带内，碟形弹簧结构的整体隔振级数在20dB左右。在400Hz-700Hz频带内，碟形弹簧结构虽然具有较多峰值，但是其整体隔振效果依然在0dB以下。在整个0Hz-1000Hz频带内，碟形弹簧结构具有较好的整体隔振性能，在低频阶段碟形弹簧结构具有较好的低频隔振性能，具有较高的实际应用价值。

综上，通过设计超材料结构带隙机理，可以对结构振动带隙的位置与宽度等特性进行调控。本发明所设计的碟形超材料管路可以有效抑制低频段范围内的振动。本发明所述连接系统对管路的材质限制小，可选范围极大，对于法兰的尺寸要求较低，且拆分法兰之后，管路的可重复利用率极高。

在实际使用中，将需要特定频域隔振的输送装置与本系统连接，当输送装置输送的介质脉冲引发管路振动时，纵向振动将在本发明的超材料周期结构带隙机理的影响下实现低频范围内的隔振效果。

本发明的连接系统采用多个结构较为紧密的连接形式，可达到不焊接条件下可靠性较高的密封效果，并且连接较为牢固。在使用中不限放置方向，对轴向的隔振降噪均可达到需求的效果，具有一定的普适性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。