新型氣液耦合沖擊耗能器的沖擊響應(yīng)特性研究

張春輝，汪 玉，溫肇東，趙建華（海軍工程大學(xué)，武漢430033；海軍裝備研究院，北京006）

新型氣液耦合沖擊耗能器的沖擊響應(yīng)特性研究

張春輝1，汪 玉2，溫肇東2，趙建華1
（1海軍工程大學(xué)，武漢430033；2海軍裝備研究院，北京100161）

船舶設(shè)備遭受強(qiáng)沖擊作用時(shí)，能夠承受的加速度和相對(duì)位移幅值都很小，采用隔振器和限位器均不能滿足抗沖擊要求，此時(shí)需要特殊的耗能元件，吸收大量的沖擊能量?；趯鹘y(tǒng)的隔振抗沖元件和新型耗能裝置相結(jié)合的思想，設(shè)計(jì)了一種非線性抗沖擊系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立了氣液耦合沖擊耗能器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其各參數(shù)（運(yùn)動(dòng)傳遞比和氣腔有效橫截面積）對(duì)抗沖擊性能（絕對(duì)加速度幅值和相對(duì)位移幅值）的影響進(jìn)行了仿真試驗(yàn)分析。研究表明，與線性隔離系統(tǒng)相比，沖擊耗能器能夠耗散部分沖擊能量，提升系統(tǒng)的抗沖擊能力；沖擊耗能器的參數(shù)影響分析為新型耗能器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了可行的理論依據(jù)。

沖擊隔離；沖擊響應(yīng)；耗能器

0 引 言

沖擊是一種具有大破壞性的瞬時(shí)激勵(lì)，因?yàn)樗ǔ０艽蟮淖饔昧Α⑽灰苹驂毫1]。過度的沖擊響應(yīng)可能會(huì)引起設(shè)備損壞[2]，因此設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)通常選用抗沖擊性能好的設(shè)備和對(duì)設(shè)備采用抗沖擊防護(hù)措施來(lái)保證設(shè)備的安全性，使用隔振器就是一種較好的沖擊防護(hù)措施[3]。對(duì)于彈性安裝的設(shè)備，由于安裝空間有限，隔離器固有頻率低且存在變形極限，沖擊引起的設(shè)備與基礎(chǔ)之間的過大相對(duì)位移會(huì)損壞設(shè)備[4]。目前，為了改善隔振器的抗沖擊性能，通常在隔振系統(tǒng)中安裝限位器，此種方法雖然可以降低相對(duì)位移幅值，但卻會(huì)引起系統(tǒng)的二次沖擊問題[5-6]。特別是當(dāng)設(shè)備遭受強(qiáng)沖擊作用時(shí)，設(shè)備承受的加速度和相對(duì)位移幅值都很小，采用隔振器和限位器均不能滿足抗沖擊要求，此時(shí)需要特殊的耗能元件，吸收大量的沖擊能量，使傳遞到設(shè)備的沖擊能量大幅減少，從而保證設(shè)備加速度和相對(duì)位移響應(yīng)均能滿足船舶設(shè)備的要求[7]。

1 氣液耦合沖擊耗能器的組成

1.1 氣液耦合沖擊耗能器的設(shè)計(jì)思想

研制氣液耦合沖擊耗能器的目的是解決傳統(tǒng)的抗沖減振元件不能很好地同時(shí)解決隔振和抗沖擊問題。具體設(shè)計(jì)思想是在傳統(tǒng)的抗沖減振元件基礎(chǔ)上并聯(lián)一個(gè)氣液耦合沖擊耗能器組成一個(gè)新的非線性抗沖系統(tǒng)。圖1展示了氣液耦合沖擊耗能器的原理示意圖和實(shí)物。靜平衡狀態(tài)時(shí)，缸體5上端與被隔離設(shè)備面對(duì)面接觸，液壓活塞2下端與安裝設(shè)備的基座固定連接。

圖1 氣液耦合沖擊耗能器的原理圖和實(shí)物Fig.1 Schematic of the gas-liquid coupling shock absorber

氣液耦合沖擊耗能器的工作原理是系統(tǒng)基座受到?jīng)_擊作用時(shí)，利用液壓活塞和T型活塞之間的運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系快速把氣腔內(nèi)氣體壓縮到定壓薄膜7設(shè)定的壓力值P，當(dāng)壓力繼續(xù)升高時(shí)，薄膜破裂，理想狀態(tài)下（忽略節(jié)流和阻尼作用）認(rèn)為氣腔瞬間釋放被壓縮的高能氣體，以此來(lái)耗散部分沖擊能量，提升被隔離設(shè)備的抗沖擊性能。為了保證設(shè)備與基礎(chǔ)之間不會(huì)產(chǎn)生剛性接觸，設(shè)定泄油口3，在氣腔瞬時(shí)高度Hx≤0.005 m時(shí)，液腔油液通過泄油口3排出，釋放液腔壓力。

為計(jì)算方便，假設(shè)液壓活塞的質(zhì)量為m1，T型活塞的質(zhì)量為m2，缸體和被隔離體的質(zhì)量為m3，液腔半徑為r1，T型小活塞半徑為r2，氣腔橫截面積為A1，氣腔的初始高度為H0。

1.2 氣液耦合沖擊耗能器的動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)于m2，T型活塞與缸體之間的相對(duì)位移x（t）為：

式中：Fq為氣液耦合耗能器對(duì)m3的作用力。

1.3 氣液耦合耗能器氣腔的力—位移特性分析

式中：p是空氣壓力，V是空氣容積，C是常數(shù)，n是與熱交換有關(guān)的多變指數(shù)。如果氣體壓縮變化緩慢，熱交換充分，可以視作等溫過程，則n=1；如果變化迅速，來(lái)不及熱交換，則氣體壓縮可視作絕熱過程，則n=1.4。本研究沖擊過程變化迅速，故n=1.4。

對(duì)于沖擊耗能器，沖擊過程中氣腔的壓力變化滿足狀態(tài)方程：

式中：V0是氣腔的初始體積，Vx是沖擊過程中氣腔的瞬時(shí)體積，由公式（5）可得

由m2的動(dòng)力學(xué)分析式（2）可知?dú)馇凰矔r(shí)高度Hx為

則氣液耦合耗能器對(duì)m3的作用力Fq為：

故氣液耦合耗能器耗散的沖擊能量W為

式中：x0為氣腔壓力達(dá)到定壓薄膜設(shè)定壓力P時(shí)T型活塞與氣腔之間的瞬時(shí)位移。

圖2為理想狀態(tài)下氣腔作用力與相對(duì)位移的關(guān)系曲線。圖中力與位移曲線所圍成的面積代表沖擊耗能器耗散的沖擊能量。

2 新型非線性沖擊隔離系統(tǒng)

本研究把傳統(tǒng)的線性隔振器和自行設(shè)計(jì)的氣液耦合沖擊耗能器并聯(lián)組成一種新型非線性抗沖擊隔離系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)原理和實(shí)物如圖3所示。

假設(shè)系統(tǒng)基礎(chǔ)受到?jīng)_擊信號(hào)y¨（t），根據(jù)牛頓第二定律，可列出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程：

圖2 理想的氣腔作用力與相對(duì)位移之間關(guān)系曲線Fig.2 Idealized gas pressure-displacement relation

圖3 非線性抗沖系統(tǒng)的原理示意圖和實(shí)物Fig.3 Schematic and photograph of non-linearity shock isolation system

對(duì)于沖擊激勵(lì)，按照德國(guó)軍標(biāo)BV043-85[9]推薦的正負(fù)雙半正弦時(shí)域信號(hào)對(duì)模型基礎(chǔ)施加沖擊輸入，即：

相應(yīng)的載荷譜值分別選用：加速度譜值A(chǔ)=200 g，速度譜值V=5 m/s，位移譜值d=0.05 m。沖擊時(shí)域曲線如圖4所示。

3 抗沖擊性能的數(shù)值試驗(yàn)分析

時(shí)域內(nèi)求解沖擊響應(yīng)的方法有杜哈梅積分法和數(shù)值分析法。杜哈梅積分只適用于比較簡(jiǎn)單、脈沖響應(yīng)函數(shù)有解析解的系統(tǒng)[10]。而大部分非線性系統(tǒng)沒有解析解，因此數(shù)值求解是研究非線性系統(tǒng)的重要手段。沖擊模型（11）是非線性微分方程，無(wú)法給出直觀的解析解，本研究采用龍哥-庫(kù)塔法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖4 正負(fù)雙半正弦時(shí)域波形Fig.4 The curves of plus-minus half sine wave

令被隔離設(shè)備的質(zhì)量m3=50 kg，系統(tǒng)固有頻率f=10 Hz，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)傳遞比r0（0.25~9）和不同氣腔有效截面積A（0.000 3-0.031 4 m2）下的沖擊模型（11）進(jìn)行數(shù)值模擬，分析運(yùn)動(dòng)傳遞比r0和氣腔有效截面積A對(duì)抗沖擊性能的影響。

3.1 運(yùn)動(dòng)傳遞比對(duì)抗沖擊性能的影響

圖5給出了在不同的運(yùn)動(dòng)傳遞比下設(shè)備的絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值。從圖中可以看出，運(yùn)動(dòng)傳遞比越大，絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值越大。不同運(yùn)動(dòng)傳遞比下設(shè)備的相對(duì)位移響應(yīng)幅值如圖6所示。從圖中可以看出，相對(duì)位移響應(yīng)幅值先隨著傳遞比的增大而減小，而后又隨著傳遞比的增大而增加，存在一個(gè)最佳傳遞比，使得相對(duì)位移響應(yīng)幅值最小。

圖5 絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值與運(yùn)動(dòng)傳遞比的關(guān)系Fig.5 Amplitude of absolute acceleration vs. movement transmissibility

圖6 相對(duì)位移幅值與運(yùn)動(dòng)傳遞比的關(guān)系Fig.6 Amplitude of relative displacement vs. movement transmissibility

3.2 氣腔有效截面積對(duì)抗沖擊性能的影響

氣腔有效截面積與絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，氣腔有效截面積越大，絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值越小。圖8展示了不同的氣腔有效截面積對(duì)相對(duì)位移響應(yīng)幅值的影響。從圖中可以看出，相對(duì)位移響應(yīng)幅值隨著氣腔有效截面積的增大先減小后增加，存在一個(gè)最佳氣腔有效面積，使得相對(duì)位移響應(yīng)幅值最小。

圖7 氣腔面積對(duì)絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值的影響Fig.7 Amplitude of absolute acceleration vs.gas chamber’s cross-section area

圖8 氣腔面積對(duì)相對(duì)位移幅值的影響Fig.8 Amplitude of relative displacement vs.gas chamber’s cross-section area

圖9 不同傳遞比下氣腔面積對(duì)相對(duì)位移 響應(yīng)幅值的影響Fig.9 Amplitude of relative displacement vs.movement transmissibility and gas chamber’s cross-section area

圖10 不同傳遞比下氣腔面積對(duì)絕對(duì) 加速度幅值的影響Fig.10 Amplitude of absolute acceleration vs.movement transmissibility and gas chamber’s cross-section area

為了更加深入地研究氣腔有效橫截面積和運(yùn)動(dòng)傳遞比對(duì)沖擊響應(yīng)的影響，對(duì)有效橫截面積和運(yùn)動(dòng)傳遞比進(jìn)行混合仿真研究。

不同運(yùn)動(dòng)傳遞比下氣腔有效橫截面積對(duì)相對(duì)位移響應(yīng)幅值的影響如圖9所示。從圖中可以看出，在運(yùn)動(dòng)傳遞比r≤1，即位移傳遞縮小階段，相對(duì)位移響應(yīng)幅值隨著氣腔截面積的增加先減小，后增大，存在一個(gè)最佳氣腔橫截面積，使得相對(duì)位移響應(yīng)幅值最??；在運(yùn)動(dòng)傳遞比r＞1，即位移傳遞放大階段，氣腔橫截面積越大，相對(duì)位移響應(yīng)幅值越小。

圖10展示了不同運(yùn)動(dòng)傳遞比下氣腔有效橫截面積對(duì)絕對(duì)加速響應(yīng)幅值的影響。從圖中可以看出，在任意確定的運(yùn)動(dòng)傳遞比下，絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值隨著氣腔面積的增大而減小。

4 與線性隔離器抗沖擊性能的對(duì)比

為了分析氣液耦合耗能器的抗沖擊性能，在相同的沖擊環(huán)境下，對(duì)比分析了本研究的非線性抗沖擊隔離系統(tǒng)和相同固有頻率的線性單自由度隔沖系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)結(jié)果。

圖11、12為兩種不同沖擊隔離系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)對(duì)比圖。從圖中可以看出，在正負(fù)雙波的沖擊作用下，兩種系統(tǒng)的響應(yīng)幅值均發(fā)生在第二個(gè)峰值處。含氣液耦合耗能器系統(tǒng)的絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值和相對(duì)位移響應(yīng)幅值均比單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)幅值小。含氣液耦合沖擊耗能器系統(tǒng)的加速度響應(yīng)曲線在0.036 s時(shí)存在瞬間減小的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)闅庖厚詈蠜_擊耗能器在沖擊響應(yīng)過程中瞬間排出了高能氣體，耗散了部分沖擊能量。因此，氣液耦合耗能器具有較好的抗沖擊能力。

圖11 氣液耦合非線性抗沖器與線性隔離器的絕對(duì)加速度響應(yīng)對(duì)比Fig.11 The response of absolute acceleration for different types of damping ratio

圖12 氣液耦合非線性抗沖器與線性隔離器的 相對(duì)位移響應(yīng)對(duì)比Fig.12 The response of relative displacement for different types of damping ratio

5 結(jié) 論

本文提出了一種新型氣液耦合沖擊耗能器的設(shè)計(jì)思想，推導(dǎo)了理想狀態(tài)下氣液耦合耗能器對(duì)設(shè)備作用力與相對(duì)位移的關(guān)系；仿真分析了運(yùn)動(dòng)傳遞比和有效橫截面積對(duì)沖擊耗能器抗沖擊性能的影響；對(duì)比分析了非線性沖擊隔離系統(tǒng)與單自由度線性系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)?；谝陨戏治觯傻玫饺缦陆Y(jié)論：

（1）新型氣液耦合沖擊耗能器能夠?qū)崿F(xiàn)快速壓縮并釋放高能氣體的功能，即能實(shí)現(xiàn)耗散部分沖擊能量的功能；

（2）對(duì)于某一確定的氣腔有效橫截面積A，絕對(duì)加速度幅值與運(yùn)動(dòng)傳遞比成正相關(guān)關(guān)系，且存在一個(gè)最佳運(yùn)動(dòng)傳遞比，使得相對(duì)位移幅值最小；

（3）對(duì)于任意確定的運(yùn)動(dòng)傳遞比r0，被隔離器設(shè)備的絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值隨著有效橫截面積的增加而減?。?/p>

（4）運(yùn)動(dòng)傳遞比r0＜1時(shí)，相對(duì)位移幅值隨著氣腔有效橫截面積的增加先減小后增加；在運(yùn)動(dòng)傳遞比r＞1時(shí)，相對(duì)位移響應(yīng)幅值隨著氣腔有效橫截面積的增加而減??；

（5）與線性單自由度系統(tǒng)相比，非線性沖擊隔離系統(tǒng)可以有效降低被隔離設(shè)備的絕對(duì)加速度幅值和相對(duì)位移幅值。

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Characteristics of shock response of a novel gas-liquid coupling shock damper

ZHANG Chun-hui1,WANG Yu2,WEN Zhao-dong2,ZHAO Jian-hua1
(1.Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.Naval Academy of Armament,Beijing 100161,China)

The acceptable acceleration maximum and the relative displacement amplitude of ship equipments acceptable are very small when they are subjected to a strong impact.Under this circumstance,none of the vibration isolator and the displacement restrictor could meet the shock isolation requirements of ship equipments.Therefore,a special damper which could dissipate larger shock energy is necessary.Based on this idea in which traditional vibration isolators are combined with the novel dissipation components,in this paper,a new non-linearity shock isolation system is presented.A mathematical model of gas-liquid coupling shock damper is established.And,the numerical analysis relating to the effects of its parameters(movement transmissibility and cross-section area of gas chamber)on shock isolation performance(the absolute acceleration maximum and the relative displacement amplitude)is carried out.The results prove that in comparison with the traditional linearity shock isolation system,the gas-liquid coupling shock damper can improve the impact resistance performance by dissipating partial impact energy.Besides,the parametric influence analysis of the damper provides a feasible theoretical basis for the design and development of the novel gas-liquid coupling shock damper.

shock isolation;shock response;damper

O322

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.012

1007-7294（2015）07-0859-07

2015-01-02

973項(xiàng)目（613157010102）；預(yù)研基金（4010304030202）

張春輝（1988-），男，博士，E-mail：502773429@qq.com；

汪 玉（1964-），男，博士，研究員。