基于局域共振的CFRP浮筏框架低频减振特性优化研究

为提升舰船隐身性能，研究人员将局域共振(local resonance)的低频弹性波调制特性与碳纤维增强塑料(CFRP)的高阻尼特性结合，设计新型CFRP浮筏框架。通过B&K测试系统验证，优化振子分布与质量可使初始减振频率降低，最大减振量提升至103.2 dB，支撑位与中心位分布分别实现低频(0–100 Hz)与高频(100–1000 Hz)最优减振，为舰船机械振动控制提供新策略。

　　

随着舰船隐身性能需求的不断提升，动力设备产生的低频振动成为影响其隐蔽性的关键因素。浮筏框架作为隔离振动传递至船体的中介结构，其减振性能直接决定整体效果。然而，现有技术面临两难困境：增加框架质量虽能提升减振效果，却会导致系统位移过大；而采用空气弹簧或非线性动态吸振器等附加组件，又可能降低有效承载能力。更棘手的是，低频段（尤其是0–100 Hz）的阻尼效果始终未能取得突破。这一瓶颈促使研究人员将目光投向材料与结构创新——如何在不显著增加质量的前提下，实现低频宽带减振成为亟待解决的科学问题。

湖北省重大专项与国家自然科学基金支持的研究团队独辟蹊径，提出将碳纤维增强塑料(CFRP)的高阻尼特性与局域共振(local resonance)的低频波调制能力协同整合至浮筏框架设计。这一创新思路源于前期发现：CFRP的阻尼损耗因子显著优于金属材料，而局域共振系统通过"弹簧-质量"振子阵列可产生低频带隙(bandgap)。研究团队通过理论建模、数值仿真与实验验证三重手段，系统探究振子分布模式与总质量对0–1000 Hz频段减振性能的影响规律，相关成果发表在《Marine Structures》上。

关键技术方法包括：1) 基于负质量理论预测局域共振带隙特性；2) 采用T700/YPH-308碳纤维预浸料制备CFRP筏架，通过热压罐成型与模压工艺分别制造面板与工字梁支撑；3) 建立B&K测试系统平台，测量不同振子配置下的振动传递损失；4) 通过有限元仿真分析固有频率变化，验证振子分布对模态行为的调控作用。

材料与结构设计
研究采用不锈钢-橡胶复合振子（单重500 g）与T700碳纤维（纤维体积分数68%）构建混合系统。通过周期性堆叠预浸料形成一维周期结构，配合振子在支撑位与中心位的空间差异化排布，形成两种典型配置：S1（支撑位集中分布）与S2（中心均匀分布）。

局域共振平板振动理论模型
将矩形板上分布的M个振子简化为"弹簧-质量"系统，推导出基板在外部激励力F₀
(X)与振子反力共同作用下的振动方程。仿真显示振子加入使框架固有频率从200 Hz降至130 Hz，且S1配置比S2更有效降低一阶模态频率。

试件制造与测试
通过切割-铺层-固化工艺制备CFRP组件，振子通过螺栓固定于预设位置。频率扫描实验证实：振子使初始减振频率向低频移动，最大减振量提升110%（48.9 dB→103.2 dB）。0–100 Hz频段支撑位振子减振效果最优，而100–1000 Hz频段中心位分布更具优势，该现象与仿真预测的带隙特性高度吻合。

结论与意义
该研究首次实现CFRP高阻尼与局域共振带隙特性的协同增效，突破传统减振设计"增质必增位移"的局限。通过振子空间分布策略的优化，在0–1000 Hz全频段实现可调控减振：支撑位分布激发低频局域共振效应，中心位分布增强高频几何散射。这一发现为舰船机械系统振动控制提供新范式——无需大幅增加质量即可实现低频宽带减振，同时保持结构承载能力。未来可通过振子材料参数（如负刚度设计）与CFRP铺层角度的联合优化，进一步拓展带隙调控维度，推动智能减振结构的发展。