復(fù)合隔振器隔振裝置的性能研究

沈良杰，范進，陳彥北，郭強

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復(fù)合隔振器隔振裝置的性能研究

沈良杰1,2，范進1，陳彥北2，郭強2

（1.南京理工大學(xué)，南京 210094；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412000）

目的為提升隔振裝置的隔振性能，研發(fā)具有優(yōu)良隔振性能的隔振裝置。方法在20~1600 Hz頻段內(nèi)，利用有限元分析軟件對某新型復(fù)合隔振器隔振裝置進行諧響應(yīng)分析，并進行整體隔振試驗，得出隔振裝置在外激勵下頻域上的振動響應(yīng)。結(jié)果對比分析有限元仿真結(jié)果與隔振試驗數(shù)據(jù)，在20~80 Hz內(nèi)，振級落差大于15 dB，在200~1600 Hz上，振級落差也在24 dB以上，在200~1000 Hz上加速度振級落差仿真和實驗的RMS值分別為36.6 dB和38.9 dB，結(jié)論該復(fù)合式隔振器隔振裝置具有優(yōu)良的隔振性能。

隔振器；單層隔振系統(tǒng)；振級落差

隔振是艦船減振降噪普遍采用的方法，也是工程實踐中應(yīng)用最多的一項振動控制技術(shù)。隨著現(xiàn)代艦船對自身結(jié)構(gòu)安全和靜音低噪性能要求的提高，隔振技術(shù)一直屬于國內(nèi)外船舶工程、結(jié)構(gòu)力學(xué)和軍事科技等領(lǐng)域的研究熱點。隔振基本原理是在振源和基礎(chǔ)之間設(shè)置彈性裝置，依靠其彈性形變來減小振源對基礎(chǔ)的影響。根據(jù)隔振裝置作用方式的不同，艦船隔振技術(shù)主要包括被動隔振、主動隔振和混合式隔振三類。

主動隔振技術(shù)由于較高的自適應(yīng)性，在一定程度上彌補了被動隔振技術(shù)的缺點，可以適應(yīng)低頻、寬頻和高精度的任務(wù)要求。然而，艦船主動隔振技術(shù)同混合式隔振器技術(shù)特點類似，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計難度大，且受作動器性能限制等，使其無法適應(yīng)大沖擊工況，再加上兩種技術(shù)均需要輔助設(shè)備和外部能源，多種因素的限制下，使得主動隔振和混合隔振技術(shù)難以取得突破，并在特種艦艇領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用[1]。相比之下，被動隔振技術(shù)雖然參數(shù)無法實時調(diào)節(jié)，適用工況單一，但仍然依靠最簡易、最可靠的隔振特點得到了廣泛的應(yīng)用。被動隔振技術(shù)的主要特點是其必須在面對振動頻率大于其固有頻率倍時，隔振系統(tǒng)才會產(chǎn)生隔振效果。因此，研發(fā)額定載荷下固有頻率低的隔振器將拓寬被動隔振系統(tǒng)的有效隔振頻帶，屬于被動隔振技術(shù)的發(fā)展方向。這其中以氣囊類隔振器為代表，可以做到工作固有頻率在2 Hz以下；橡膠類隔振器普遍工作頻率在7~15 Hz，難以做到更低固有頻率。對于被動隔振技術(shù)，另一缺點是固有頻率低就要求其自身剛度越低，而系統(tǒng)剛度低其穩(wěn)定性無法保障，如氣囊隔振器由于剛度過低需要增加穩(wěn)定性輔件，所以被動隔振技術(shù)的設(shè)計一直在低頻性能和穩(wěn)定性保障二者之間尋求平衡。

艦船低速航行時，機械振動頻率集中在1 kHz以下的頻段內(nèi)[2]。因此，研發(fā)在此頻段內(nèi)具有優(yōu)良隔振性能的隔振裝置是急需解決的問題。開發(fā)一種同時具備氣囊的低頻性和橡膠隔振器穩(wěn)定性的復(fù)合式隔振器，將很好地提高被動隔振技術(shù)的應(yīng)用范圍。

國外海軍大國一直很重視新型材料隔振器的設(shè)計與開發(fā)。美軍在21世紀初將使用壽命長、蠕變性好的聚氨酯隔振器用于艦船隔振系統(tǒng)，增強了隔振系統(tǒng)的壽命與承載能力，同時獲得良好的隔振效果[3]。文獻[4]報道指出，美海軍艦艇上裝備的熱塑合金隔振器具有非常好的阻尼特性和抗沖擊特性。由于氣囊隔振器具有較大的位移量和較低的固有頻率，成為艦船理想的隔振裝置。俄美海軍都已將氣囊安裝在潛艇主機、輔機筏架上，取得了很好的隔振效果[5]。國內(nèi)海軍工程大學(xué)自主研發(fā)的船舶主機氣囊隔振裝置得到了工程化應(yīng)用，在寬頻激振范圍內(nèi)的加速度振級落差達到15~20 dB[6]。

為體現(xiàn)和驗證復(fù)合式隔振器隔振裝置的隔振性能，利用有限元軟件對其進行諧響應(yīng)分析，并進行隔振試驗，得到了隔振裝置在外激勵下頻域上的振動響應(yīng)。對比分析仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)，表明復(fù)合式隔振器隔振裝置相對橡膠隔振器應(yīng)用頻率更低，具有更優(yōu)良的隔振性能。

1 有限元仿真分析

1.1 隔振器及隔振裝置基本參數(shù)

低頻復(fù)合式隔振器是氣囊與橡膠結(jié)合的復(fù)合式隔振器，從結(jié)構(gòu)上分析，可以看成是由上部的橡膠彈簧和下部的空氣彈簧組合而成，橡膠彈性元件主要是指橡膠變形體，而空氣彈簧則是由橡膠變形體與氣囊座形成的密閉氣室形成。復(fù)合隔振器動剛度K= 600 N/mm，K=K=1600 N/mm，自振頻率為5.8 Hz，額定荷載為4410 N。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合隔振器結(jié)構(gòu)

隔振裝置基本參數(shù)：激勵電機底座尺寸為0.35 m×0.22 m，質(zhì)量為210 kg，彈性模量為2.09×1011Pa；上基板尺寸為2 m × 1.455 m × 0.1 m，密度為7890 kg/m3；配重板尺寸為1.5 m × 0.73 m × 0.035 m，密度為297.6 kg/m3；隔振器上部系統(tǒng)質(zhì)量為1922.6 kg，上部隔振系統(tǒng)自振頻率為5.56 Hz；底座外尺寸為2.2 m × 1.5 m × 0.18 m，密度為7890 kg/m3，彈性模量為2.09 × 1011Pa。

利用ANSYS有限元軟件建立對應(yīng)的有限元分析模型如圖2所示?；碌酌婀潭?，基座與隔振器支座剛性連接，激勵電機、上基板、配重板及隔振器支座剛性連接，每個隔振器采用三個Combin14單元模擬，定義其三個方向上的剛度和阻尼。為提高計算效率，忽略各部件上的孔洞。在激勵電機上施加幅值為4000 N的豎向激勵力，取隔振器上端為輸入響應(yīng)，下端為輸出響應(yīng)。

圖2 有限元分析模型

1.2 隔振裝置振動響應(yīng)分析

根據(jù)艦船常用動力設(shè)備的工況，低速航行時機械振動頻率集中在1 kHz以下的頻段內(nèi)，為全面反映此頻域內(nèi)裝置的振動響應(yīng)，取20~1600 Hz頻段分析簡諧激勵下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)解，即諧響應(yīng)分析解。1/3倍頻程點上隔振系統(tǒng)四個隔振器的加速度振級及振級落差的均值如圖3和圖4所示。

圖3 20~1600 Hz隔振器加速度振級

從圖3可看出，系統(tǒng)在外激勵下隔振器上端的加速度響應(yīng)隨頻率整體呈上升的趨勢，在40 Hz和1250 Hz處取極小值，在400 Hz取頻帶內(nèi)的最大值。下端加速度響應(yīng)在1600 Hz以內(nèi)相對較平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)總體的振級落差線性較好。對于此復(fù)合隔振器的隔振系統(tǒng)，在20~200 Hz的頻域內(nèi)，其振級落差在19 dB以上，隨激勵頻率的上升，其振級落差逐漸上升，在400 Hz達到最大值而后下降，200~1600 Hz內(nèi)振級落差在30 dB以上。

針對1250 Hz左右振級落差下降的情況，分析了隔振裝置在這一頻帶上的模態(tài)分布情況，結(jié)果見表1。

由表1可知，由于基座和裝置自身彈性的影響，在800~1250 Hz頻段上是裝置模態(tài)比較密集的區(qū)間，此頻段上隔振裝置和基座頂板模態(tài)較密集，其隔振性能將受到影響，圖3和圖4的隔振效果曲線中表現(xiàn)明顯。以上數(shù)據(jù)和分析表明，在200~1000 Hz內(nèi)，振級落差在30 dB以上，RMS值為36.6 dB，相較于普通被動隔振裝置，復(fù)合隔振器隔振裝置在低頻區(qū)域內(nèi)有著較好的隔振效果。

表1 隔振裝置模態(tài)分布 Hz

2 隔振試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗概述及測試方案

該試驗的對象為基于復(fù)合隔振器的隔振裝置，其激勵電機及其他組件通過四個被測隔振器安裝在下部底座上，底座通過T型槽與基礎(chǔ)剛性連接，其總質(zhì)量大于設(shè)備質(zhì)量的10倍。

裝置隔振性能試驗工況一種，即激勵電機以3000 r/min轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，測各隔振器上下端加速度數(shù)據(jù)。補充插入損失實驗工況一種，即撤去隔振器，代之以剛性支座鏈接，激勵電機以3000 r/min轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，測各隔振器上下端加速度數(shù)據(jù)。測試采集三組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)20 s。采用LMS Test. Lab軟件進行測試與分析，測試20~1600 Hz系統(tǒng)的響應(yīng)并換算成振級。

2.2 隔振試驗結(jié)果及分析

為了更直觀地反映復(fù)合隔振器隔振裝置的性能，取測試工況下四個隔振器加速度響應(yīng)均值和振級落差曲線的均值與仿真均值對比，如圖5和圖6所示。取四個隔振器下的插入損失均值如圖7所示。

分析圖5和圖6，對比試驗數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)，二者在20~1600 Hz上曲線趨勢基本一致，數(shù)值差距較小，有較好的一致性。有限元仿真諧響應(yīng)分析是掃頻工況，試驗工況是定頻工況，能量在各頻段上的分布是不均勻的，故仿真數(shù)據(jù)與試驗測試數(shù)據(jù)存在一定偏差。在50~320 Hz上試驗輸入加速度振級要大于仿真加速度振級；在400~1600 Hz上輸入加速度振級有著很好的一致性。

分析圖7，對比振級落差與插入損失的數(shù)據(jù)，插入損失總體上略小于振級落差。由于定頻工況下各頻段能量分布不均勻，插入損失曲線也體現(xiàn)為160~1600 Hz上的數(shù)據(jù)較20~125 Hz上偏大。

圖7 試驗插入損失曲線

振級落差在20~1000 Hz上有著較好的一致性，在20~80 Hz內(nèi)，振級落差大于15 dB，在200~1600 Hz上，振級落差也在24 dB以上，表明此復(fù)合隔振器 在中低頻有著較好的隔振效果。由于隔振器駐波效 應(yīng)[7—10]、基礎(chǔ)彈性[10—15]、被隔振裝置彈性的影響，在相對中高頻上會降低裝置的隔振效果。模態(tài)分析也表明，此段是模態(tài)的相對密集區(qū)，表現(xiàn)在800 Hz和1000 Hz頻段振級落差曲線和插入損失曲線取極小值。需要說明的是，仿真分析中有限元模型將隔振器抽象為一個彈簧阻尼單元，所以該段模態(tài)相對集中和振級落差曲線下降反應(yīng)是隔振裝置自身的特性，而非隔振器駐波效應(yīng)。

相較于一般的單層隔振裝置在1000~3000 Hz頻段的隔振效果一般只能達到20 dB左右[16]，此復(fù)合隔振器隔振裝置在1000 Hz上的加速度振級落差在25 dB左右，在800~1600 Hz上的RMS值約為33.5 dB。

3 結(jié)論

文中通過建立復(fù)合隔振器隔振裝置的隔振系統(tǒng)模型，進行了仿真分析，并完成了振動試驗，分析了系統(tǒng)豎向簡諧激勵下系統(tǒng)的響應(yīng)，得到如下結(jié)論。

1）隔振裝置有限元仿真和試驗的振級落差曲線趨勢有著較好的一致性，二者均體現(xiàn)出60 Hz附近結(jié)構(gòu)存在共振點。在1000~1250 Hz頻段內(nèi)，因裝置自身特性和模態(tài)相對密集導(dǎo)致隔振性能下降。

2）相較于一般的單層隔振裝置，在1000 Hz上，復(fù)合隔振器隔振裝置的加速度振級落差為25 dB，RMS值大約為33.5 dB，在低頻有更好的隔振效果。

3）在20~200 Hz頻段上，加速度振級落差大于15 dB，在200~1000 Hz上加速度振級落差仿真和實驗的RMS值分別為36.6 dB和38.9 dB，實驗插入損失的RMS值為30.5 dB。表明此復(fù)合隔振器隔振裝置在艦船常用低頻工作頻段內(nèi)有良好的隔振性能。

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Performance of Vibration Isolation Device for Composite Vibration Isolator

SHEN Liang-jie1,2, FANG Jin1, CHEN Yan-bei2, GUO Qiang2

(1.Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.Zhuzhou Times New Material Technology Co., Ltd, Zhuzhou 412000, China)

ObjectiveTo improve vibration isolation performance of vibration isolation device and develop vibration isolation device with excellent low frequency vibration isolation performance. MethodsThe harmonic response analysis on a new combined type vibration isolation device was carried out in the 20~1600Hz frequency band with software of finite element analysis. The overall vibration isolation test was also carried out. And the vibration response of vibration isolation device under external excitation in the frequency domain was obtained. Results The result of finite element simulation and data of vibration isolation were compared. The vibration level difference was greater than 15 dB, on 20~80 Hz. On 200 Hz to 1600 Hz, the vibration level drop was also above 24 dB. RMS values of acceleration vibration level simulation and experiment were 36.6 dB and 38.9 dB respectively in 200~1000 Hz. ConclusionThe combined type vibration isolation device has excellent vibration isolation performance.

vibration isolator; single-stage vibration isolation system; vibration level difference

10.7643/issn.1672-9242.2017.05.013

TJ03

A

1672-9242(2017)05-0056-04

2016-12-08；

2016-12-18

沈良杰（1991—），男，碩士，主要研究方向為結(jié)構(gòu)振動控制。