带有声学黑洞复合阻尼质量的船舶柴油发动机基础的减振特性

复合消波基础设计、声学黑洞效应、振动衰减优化、几何声学近似、有限元仿真验证

　　

文华冰|朱峰|李伟|叶林昌|郭俊华

摘要

船用柴油发动机基础是船舶动力系统的关键组成部分，由于它们作为主要的振动传输路径，对声学隐身性和结构安全性有着重要影响。本文提出了一种新型复合波阻尼基础，该基础基于声学黑洞（ABH）效应、阻尼质量和粘弹性层的增强原理。通过使用几何声学近似（GAA）来描述弯曲波的传播轨迹，以阐明参数影响的机制。基于有限元仿真和实验验证，证明了所提出结构的振动衰减性能在单元格模型和周期性基础模型中都是成立的。我们发现，这种复合结构通过利用“阻抗反射-ABH吸收”的协同机制，表现出出色的宽带振动抑制能力。具体而言，与传统结构相比，双ABH周期性排列在1-5 kHz频率范围内实现了5.72 dB的振动水平降低。这项工作提出了一种通过融合结构承载和波操控功能来实现振动控制的新方法，为船舶工程结构的振动控制提供了参考。

引言

作为海军机械系统的基本组成部分，船用动力基础承担着承载动力设备和隔离振动传输的关键功能。然而，在复杂的机械运动和恶劣的流体动力环境的影响下，基础结构很容易成为振动和噪声向船体传播的主要途径。这不仅严重限制了船舶的声学隐身性能，还可能由于长期宽带振动而导致结构疲劳损伤或动态不稳定。特别是在需要平衡低频振动隔离和高承载能力的情况下（Rui等人，2025年），传统振动隔离器经常面临“刚性-隔离”矛盾，使得在有限的工程空间内难以实现理想的宽带控制。因此，通过结构设计有效阻断波传播路径并抑制基础的宽带振动对于提高船舶的生存能力和航行安全性至关重要。

主动和被动控制技术已被广泛用于结构振动控制的研究。然而，考虑到船用基础面临的复杂边界约束和恶劣的运行环境，传统的附加控制装置往往受到空间和可靠性的限制。近年来，得益于声学超材料的发展和集成结构-功能设计的概念，基于声学黑洞（ABH）效应的“振动自衰减”设计成为研究热点。自从（Mironov，1988年；Krylov，2007年）奠定理论基础以来，ABH结构在梁、板和壳体中展示了出色的振动降低潜力，通过利用厚度幂律变化来实现波速减缓和能量积累（Ma和Cheng，2020年）。已经为二维ABH板的振动和声音辐射建立了基准解决方案（Deng等人，2021a，Deng等人，2021b；Zheng等人，2023年）；进一步结合了几何声学和能量流模型，揭示了ABH对弯曲波的聚焦透镜效应以及在复杂耦合结构中的耗散机制。值得注意的是，（Deng等人，2021年）提出的椭圆形ABH透镜设计为方向性波聚焦提供了新的见解。为了提高工程应用价值（Yang等人，2023年；Yao等人，2023年；Du等人，2023年），分别提出了基于改进的傅里叶级数、混合动态方法和高斯展开方法的半解析框架，显著提高了周期性ABH结构的计算和疲劳评估效率。在功能扩展方面，ABH已经从单一的波捕获器发展成为复杂的波操控装置（Wen等人，2025年）：利用轴状ABH结构实现超声能量的高效聚焦（Son等人，2025年）；通过涡旋形ABH阵列打破旋转对称性，显著优化了低频性能；而（Ye等人，2025年；Yao等人，2024年）分别通过非均匀晶格设计和梯度增强双叶结构解决了ABH结构刚性不足的问题。此外，（Ji等人，2021年）提出的二维ABH动态振动吸收器（DVA）设计通过附加组件形式有效避免了削弱宿主结构的刚性。特别是在复杂的管道应用中（Bu等人，2023年，2025年，2025年；Bu等人，2025a，Bu等人，2025b），对流体-结构耦合管道、旋转钻柱和周期性管道系统进行了深入研究，通过引入带隙机制和局部粘弹性阻尼，在高速旋转和流体扰动下成功实现了宽带振动自抑制。尽管最近的研究（L等人，2021年，Deng等人，2021年；Bao等人，2024年）试图通过引入超材料带隙、局部谐振器（MMABH）或复合散射体来突破ABH的低频瓶颈，但对于像船用基础这样的复杂周期性承载结构，仅依赖ABH的几何梯度来捕获弯曲波仍然受到截止频率的限制，还有改进控制效果的空间。

为了突破这一瓶颈并优化波能量流动的方向，特别需要引入基于阻抗不匹配原理的波控制手段。作为一种不同于ABH能量积累机制的策略，阻尼质量通过在波传播路径中引入阻抗不连续性来阻断振动能量的传输（Cremer等人，1973年；Wang等人，2011年；Wen等人，2014年）验证了这种方法在环增强圆柱壳和L形板中对弯曲波的有效控制。随着超材料概念的引入，关于周期性振动阻尼结构的研究也有所深入（Nouh等人，2015年；Peng等人，2015年；Li等人，2019年）；确认了周期性分布的阻尼单元在调节带结构和衰减弯曲波方面的潜力（Shoaib等人，2021年）。进一步结合布拉格散射和惯性放大机制，揭示了周期性非均匀管道在流体传输过程中的带隙增强和振动降低特性。对于复杂耦合系统（Wang，2016年；Xu等人，2018年），分别使用混响射线矩阵方法和能量有限元方法精确分析了包含阻尼质量的结构功率流特性。最近的研究趋势更注重多功能集成；例如，（Ren等人，2025年；Qiu等人，2024年；Tian等人，2023年；Dong等人，2025年）在流体-结构相互作用和超材料设计方面的创新工作展示了阻尼质量在波操控方面的巨大潜力。理论上，将这种“反射”特性与ABH的“吸收”特性结合起来，可以构建更高效的宽带波阻尼机制。

作为典型的周期性增强结构，船用动力基础是测试上述复合波阻尼理论的理想对象。在这个领域，振动降低设计正从单参数优化发展到多维拓扑设计。早期研究主要集中在功率流传输机制（Choi等人，2009年）和阻尼质量的工程应用（Ji等人，2012年，D和F.，2011年）。随着新材料的发展（Song等人，2015年；Pan等人，2021年；Ye等人，2021年），分别探索了周期性带隙、负泊松比结构和颗粒阻尼在基础中的应用。最近（Wang和Yang，2021年）提出了一种集成的质量-刚性-阻尼优化方法，而（Xue等人，2025年；Hao等人，2025年；Luo等人，2025年）开始尝试将ABH效应深入集成到浮动筏系统中，验证了它们在特定频率带的隔离效果。然而，大多数现有研究尚未充分利用“阻尼质量反射”和“ABH二次耗散”的协同效应，导致宽带范围内的振动水平差异改善有限，而且缺乏针对复杂周期性承载结构的系统级机制研究。

为了解决这些挑战，本文提出了一种结合声学黑洞（ABH）、阻尼质量和粘弹性阻尼层的复合波阻尼基础设计。本研究的主要创新在于建立了协同的“阻抗不匹配反射-ABH二次捕获”增强机制。通过利用阻尼质量引入的阻抗不连续性，入射的弯曲波被反射回ABH区域，在黑洞结构内引发二次能量积累和耗散，从而显著提高了能量利用和衰减效率。这项研究不仅克服了传统ABH结构的低频瓶颈，还为船舶基础振动降低提供了一种新的设计范式，兼顾了结构承载要求和波操控能力。

部分摘录

ABH的弯曲波运动方程

二维ABH的几何配置由幂律渐变厚度剖面定义，如图1所示。局部厚度$h\left(x\right)$根据幂律关系变化：$h\left(x\right)=\epsilon x^m+h_0$，其中原点位于ABH中心。这里，$m$表示幂律指数（通常$m\ge 2$），$\epsilon$是控制锥度的几何常数，h0表示ABH尖端的残余截断厚度。

为了阐明能量聚焦机制，几何

仿真和实验分析

为了严格评估所提出结构的振动隔离性能，采用了结合数值仿真和实验验证的综合性研究框架。方法工作流程如图4所示。研究遵循系统的进展：

1.

理论设计：根据第2节中推导的阻抗不匹配标准建立几何参数。

2.

并行验证：执行有限元方法（FEM）仿真

ABH-CPF的振动特性

为了系统地研究振动自衰减机制，比较分析了四种不同配置的动态响应，如图12所示：参考耦合板架（CPF，图12(a)），ABH耦合板架（ABH-CPF，图12(b)），波阻尼耦合板架（WB-CPF，图12(c)）和所提出的复合波阻尼ABH耦合板架（Composite-CPF，图12(d)）。阻尼质量设置为3.93公斤。本节重点关注

结论

本文通过提出一种新型复合振动自衰减设计来应对船用柴油发动机基础中的宽带振动传输挑战，该设计将ABH效应与阻尼质量相结合。基于GAA和FEM，系统地研究了所提出的CPF和周期性基础结构的波传播特性和能量耗散机制，并进行了实验验证。重要的创新和发现进行了总结

CRediT作者贡献声明

文华冰：撰写 – 审稿与编辑，方法论，调查，概念化。朱峰：撰写 – 原稿，形式分析。李伟：调查。叶林昌：资源，调查。郭俊华：验证，监督，资金获取。

资助

本研究得到了中国博士后科学基金会（编号：2024M764270）、国家自然科学基金（编号：12502161）、江苏省自然科学基金（编号：BK20251006）以及天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室开放项目计划（编号：MACT-2024-Y04）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。