帶限位器的隔振系統(tǒng)抗沖擊性能分析

韓 璐， 孟憲松， 閆 明， 朱 鶴

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

帶限位器的隔振系統(tǒng)抗沖擊性能分析

韓 璐， 孟憲松， 閆 明， 朱 鶴

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

在艦艇設(shè)備中，通常采用隔振系統(tǒng)來吸收沖擊所帶來的能量，為了使設(shè)備在受到?jīng)_擊載荷時不發(fā)生過大變形，隔振系統(tǒng)常帶有限位器。以單自由度單層隔振系統(tǒng)為研究對象，借助于ANSYS軟件建立該系統(tǒng)的有限元模型，參考德國聯(lián)邦國防軍艦船建造規(guī)范BV 0430/1985標準確定隔振系統(tǒng)的等效沖擊載荷譜，并將等效的雙半正弦波加速度沖擊載荷加載到有限元模型中，應(yīng)用有限元分析方法分別對有、無限位器的隔振系統(tǒng)在沖擊載荷作用下的時域響應(yīng)特性進行數(shù)值仿真計算，計算得出隔振系統(tǒng)在沖擊載荷作用下的相對位移和絕對加速度時域響應(yīng)曲線，進一步分析得出使用限位器可以提高艦艇設(shè)備抗沖擊性能的結(jié)論，可用于提高艦艇設(shè)備的可靠性設(shè)計。

限位器；抗沖擊性能；沖擊響應(yīng)；隔振系統(tǒng)

0 前 言

艦艇在其服役期內(nèi)有時會不可避免地面臨沖擊問題，沖擊源可分為接觸性爆炸(遭受導(dǎo)彈、激光炸彈的直接攻擊)和非接觸性爆炸(遭受聲吶魚雷爆炸的沖擊)以及自身發(fā)射武器而產(chǎn)生的反沖擊[1]。這些爆炸方式、爆炸距離及爆炸當量不同的沖擊，對艦體本身不一定造成毀滅性的破壞，但會使各種艦載設(shè)備受到?jīng)_擊影響，導(dǎo)致其失效，從而使艦艇失去應(yīng)有的生命力和戰(zhàn)斗力[2]。因此，隔振緩沖設(shè)計對保證設(shè)備的可靠性有著十分重要的意義。

目前，各國海軍普遍采用在船體和設(shè)備之間添加隔振器的方法，既能降低設(shè)備的振動和噪聲，又能增強設(shè)備的抗沖擊能力。設(shè)備的沖擊隔離，實際上就是將瞬態(tài)、強烈的沖擊能量先以彈性勢能的形式最大限度地儲存在其中，然后按隔振系統(tǒng)本身的特性緩慢地將能量釋放出來，從而減小傳遞至設(shè)備的沖擊載荷，以達到保護設(shè)備的目的。

對于一般的船用設(shè)備，所能承受的最大沖擊加速度都不大。而設(shè)計隔振裝置時，對其隔振性能均有一定的要求，故設(shè)計時都會有較低的固有頻率，一般設(shè)備均可滿足[3-7]，但設(shè)備相對船體的相對位移幅值卻較大，可能會超過設(shè)備與外界聯(lián)接部件的允許值，甚至會超過隔振元件本身的極限變形范圍[4-5]。因此，在隔振裝置的設(shè)計過程中，限制設(shè)備的相對位移幅值顯得十分重要，簡單地在設(shè)備上安裝限位器來限制設(shè)備的位移是行之有效的方法之一[8-14]。

在實際環(huán)境中，隔振系統(tǒng)通常會受到多方向的沖擊激勵。因此，要求實際使用的限位器可以限制隔振系統(tǒng)多方位的自由度。目前，許多學(xué)者采用一種可以轉(zhuǎn)化系統(tǒng)自由度數(shù)目的振興疊加法，即通過振型疊加法可把多自由度系統(tǒng)的沖擊問題簡化為多個單自由度系統(tǒng)的沖擊進行分析計算[6]。本文主要研究具有單自由度的單層沖擊隔振系統(tǒng)。首先從非線性動力學(xué)角度，建立帶有彈性限位器的隔振系統(tǒng)物理模型、力學(xué)模型、有限元模型，然后應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件的時域非線性瞬態(tài)分析方法對有、無限位器的隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性進行計算，從而分析討論存在限位器對艦艇隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響。

1 帶限位隔振器的工作原理

1.1 物理模型

帶限位器的隔振系統(tǒng)物理模型如圖1所示。隔振器上端與設(shè)備連接，下端固定在甲板或基座上，為防止沖擊過程中隔振器的彈性元件產(chǎn)生過大的彈性變形，使用限位器。限位器分為剛性限位器和彈性限位器。限制船舶設(shè)備在海面風浪中搖擺時而產(chǎn)生的位移，可用剛性限位器，然而在承受沖擊作用時，限位器一旦損壞，將會帶給設(shè)備極大地二次沖擊。因此，本設(shè)計中采用彈性限位器，以避免在減小位移時產(chǎn)生過大的二次沖擊[10]。圖1中，M代表設(shè)備的質(zhì)量；K1和C1分別代表隔振器的剛度和阻尼；GAP代表單側(cè)限位間隙；K2和C2分別代表限位器的剛度和阻尼。工作間隙和剛度是限位器的主要參數(shù)，衡量其抗沖擊性能的參數(shù)是在額定沖擊載荷下設(shè)備的響應(yīng)幅值：相對位移幅值(設(shè)備相對于基座的相對位移)和絕對加速度幅值(設(shè)備的絕對加速度)[11]。

圖1 帶限位器的隔振系統(tǒng)物理模型

1.2 力學(xué)模型

隔振器的彈性元件變形較小時，限位器不發(fā)生作用。限位器對隔振器的拉伸方向和壓縮方向都有約束作用，與設(shè)備的上表面和下表面分別有一定間隙。當隔振器的變形量大于限位器單側(cè)間隙時，限位器壓縮吸能，從而限制設(shè)備產(chǎn)生過大位移。對帶限位器隔振系統(tǒng)進行沖擊響應(yīng)分析及計算時，應(yīng)考慮沖擊過程中支承剛度發(fā)生突變的情況，即應(yīng)考慮系統(tǒng)是非線性的情況。帶限位器隔振系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖2所示。圖中：線段|OD3|和|OD2|分別代表上、下限位間隙；Slope 3和Slope 2分別代表隔離器的拉伸剛度和壓縮剛度；Slope 4和Slope 1分別代表上、下限位器發(fā)揮作用時系統(tǒng)整體的剛度。在一般情況下：|OD3| = |OD2| =GAP，Slope 3 = Slope 2 =K1，Slope 1 = Slope 4 =K1+K2。

圖2 帶限位器隔振系統(tǒng)的力學(xué)模型

1.3 有限元模型

有限元方法是解決工程和科學(xué)計算的一種高效、常用的數(shù)值計算方法，由此衍生出大量的商用有限元軟件，如：ANSYS，ABAQUS，ADINA，NASTRAN等。大型商用有限元軟件使用簡單、穩(wěn)定可靠，因此可使用商用有限元軟件解決帶限位器隔振系統(tǒng)的沖擊計算問題。

帶限位器隔振系統(tǒng)最大的特點是存在間隙問題，如果只考慮用非線性彈簧來模擬圖2中所述的力學(xué)模型，則沒有考慮到隔離器阻尼與限位器阻尼在實際問題中不一致的情況。能夠?qū)崿F(xiàn)帶限位隔振器計算的方案有很多種。下面介紹一種簡單實用的計算方案。圖3中，實心圓點表示節(jié)點，大寫字母表示編號，實線表示單元，數(shù)字表示單元編號，虛線表示間隙，箭頭表示沖擊載荷。借助間隙單元的有限元模型如圖3所示：1為線性彈簧單元，代表隔離器的剛度和阻尼；2和3為帶間隙的彈簧單元，分別代表上、下限位器的剛度、阻尼和間隙；B點設(shè)置質(zhì)量單元，代表被隔離設(shè)備的質(zhì)量。在該有限元模型中，可設(shè)置隔離器的剛度和阻尼，上下限位器的剛度、阻尼和間隙等8個參數(shù)，且這8個參數(shù)相互獨立，給各種計算帶來方便。

圖3 借助間隙單元的有限元模型

2 系統(tǒng)性能參數(shù)及沖擊條件

本設(shè)計采用6JX-400隔離器，其性能參數(shù)如表1所示。取設(shè)備重0.4 t，隔離器剛度為1 010 N/mm，設(shè)備與隔離器組成的彈簧振子系統(tǒng)阻尼比為6%。有限位器時，取限位器單側(cè)限位間隙為15 mm，限位器與設(shè)備組成的彈簧振子系統(tǒng)阻尼比為10%，取剛度比K限/K隔等于1。

表1 6JX-400隔離器性能參數(shù)

為分析限位器對隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響，考察垂直方向的沖擊響應(yīng)。在有限元模型中，在垂直方向設(shè)置限位器，通過彈簧阻尼單元來模擬隔振器的隔振特性，加載垂直方向的加速度沖擊載荷。

設(shè)系統(tǒng)遭受正波幅值125.663 7g，負波幅值-31.415 9g，正波脈寬5 ms，負波脈寬-20 ms的正負雙波加速度沖擊。加載波形如圖4所示。

圖4 加載波形

3 沖擊響應(yīng)計算及分析

隔離器和限位器參數(shù)如上所述，對有、無限位器的單自由度單層隔振裝置施加圖4所示的沖擊載荷，對于限位器的模擬采用間隙單元，并應(yīng)用時域的非線性瞬態(tài)方法進行計算。圖5和圖6分別為施加沖擊后計算得出的有限位器和無限位器時設(shè)備的相對位移響應(yīng)和絕對加速度響應(yīng)。通過計算可得到，無限位器時，設(shè)備的相對位移幅值為40.499 4 mm，絕對加速度幅值為10.280 3g；有限位器時，設(shè)備的相對位移幅值為37.270 3 mm，相比無限位器時減少3.229 1 mm，絕對加速度幅值為15.756 4g，相比無限位器時增大5.476 1g。這說明系統(tǒng)使用限位器可以有效地限制設(shè)備的相對位移響應(yīng)，但卻對設(shè)備的絕對加速度響應(yīng)有放大作用。從圖5可知，在隔離器的位移響應(yīng)未達到限位間隙之前，兩隔離器的響應(yīng)完全一致，設(shè)備添加限位器，相對位移明顯下降。當設(shè)備接觸到限位器的瞬間，從圖6可以看出，加速度產(chǎn)生突變(增大)，當離開限位器的同時也產(chǎn)生突變(減小)。此外，頻繁碰撞限位器使得帶限位隔離系統(tǒng)的響應(yīng)頻率明顯加快，限位器不發(fā)生作用后，兩者的響應(yīng)頻率基本一致。由于系統(tǒng)存在阻尼，故系統(tǒng)能量將不斷轉(zhuǎn)化為內(nèi)能并逐漸耗散，因此不管在有限位器還是沒有限位器的情況下，設(shè)備響應(yīng)均為近似呈逐漸衰減的正弦波。

圖5 有、無限位器對位移響應(yīng)的影響

圖6 有、無限位器對加速度響應(yīng)的影響

4 結(jié) 論

探討在增加限位器之后的隔振系統(tǒng)中隔沖性能受限位器的影響。加載的沖擊載荷譜是根據(jù)德國聯(lián)邦國防軍艦船建造的相關(guān)標準確定，然后運用ANSYS軟件對隔振系統(tǒng)進行抗沖擊時域模擬計算，對比分析在有、無限位器的不同狀態(tài)下隔振系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性，分析計算得出以下結(jié)論：

(1) 限位器主要用于改善隔振系統(tǒng)的抗沖擊性能。限位器可以有效地限制隔振系統(tǒng)的相對位移響應(yīng)幅值，但需注意的是，這是以增大隔振系統(tǒng)絕對加速度響應(yīng)幅值為代價的。因此，限位器設(shè)計原則應(yīng)該是：在設(shè)備允許相對位移范圍內(nèi)，盡可能減小設(shè)備加速度響應(yīng)。

(2) 本文采用的是限位器與隔離器均存在阻尼的有限元簡化模型，對于帶限位器的隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)研究具有重要作用。

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Shock Resistance Analysis of Vibration Isolation System with Limiter

HAN Lu, MENG Xiansong, YAN Ming, ZHU He

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, Liaoning, China)

In warship equipment, vibration isolation system can absorb most of the shock energy. The limrters are usually necessary in order to restrict the largest deformation of the equipment in the shock response. The finite element model of the single degree of freedom vibration isolation system is established by ANSYS software. Its equivalent shock load spectrum is confirmed in virtue of German Federation Wehrmacht vessel construction standard BV 0430/1985. This load spectrum is converted into equivalent double half-sine wave acceleration shock load and input into the finite element model. The time-domain response characteristics of the vibration isolation system with and without limiters are numerically simulated under the shock load respectively. The corresponding relative displacement and absolute acceleration response curves of the vibration isolation system are obtained. Further analysis shows that the use of limiter can improve the conclusion of warship equipment shock resistance and can be used to improve the reliability of ship equipment design.

limiter; shock resistance performance; shock response; viberation isolation system

中國博士后基金(編號：2014M562622)；航空科學(xué)基金(編號：201404Q5001)

韓 璐(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向為艦艇抗沖擊設(shè)計

1000-3878(2017)04-0005-04

O241；TH873

A