帶限位器單層隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)研究

韓 璐，孟憲松，閆 明，朱 鶴

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

帶限位器單層隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)研究

韓 璐，孟憲松，閆 明，朱 鶴

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，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，為了限制設(shè)備受到?jīng)_擊載荷時(shí)發(fā)生過大變形，隔振系統(tǒng)通常帶有限位器。以單自由度單層隔振系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用時(shí)域有限元分析方法，分別對(duì)帶有不同阻尼限位器的隔振裝置受到水下爆炸載荷沖擊下的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究，計(jì)算得出隔振系統(tǒng)在沖擊載荷作用下的相對(duì)位移響應(yīng)和絕對(duì)加速度響應(yīng)，分析了限位器參數(shù)對(duì)沖擊響應(yīng)的影響，旨在為艦艇設(shè)備抗沖擊性能設(shè)計(jì)及性能評(píng)估提供參考。

振動(dòng)與波；限位器；抗沖擊性能；水下爆炸；沖擊響應(yīng)

艦艇遭受水下非接觸爆炸時(shí)的抗沖擊性能是艦艇平臺(tái)系統(tǒng)極其重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。無論是主動(dòng)力裝置等振源機(jī)械還是精密電子儀器等設(shè)備，都需要考慮抗沖擊問題[1]。艦艇按兵器在不同介質(zhì)中爆炸可分為空中爆炸和水中爆炸，由于水為密實(shí)介質(zhì)，相同當(dāng)量裝藥兵器在水中爆炸的破壞威力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空中爆炸，因此各國對(duì)艦艇抗水下爆炸研究都非常重視[2]。

對(duì)于艦載設(shè)備來說，彈性安裝方式不僅要求有良好的隔振性能，而且要兼顧抗沖擊的要求[3–4]。目前，各國海軍普遍采用在基礎(chǔ)和設(shè)備之間添加隔離器，通過隔離器將瞬態(tài)、強(qiáng)烈地沖擊能力先以彈性勢(shì)能形式最大限度地儲(chǔ)存在其中，然后按隔離器系統(tǒng)本身的特性緩慢地釋放能量，從而減小傳遞至設(shè)備的載荷，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的[5]。

由于隔振裝置對(duì)隔振性能的要求，設(shè)計(jì)時(shí)其固有頻率一般都較低，因此在額定的沖擊作用下，設(shè)備所承受的沖擊加速度幅值都不大，一般的船用設(shè)備都能滿足要求[6]，但設(shè)備相對(duì)船體的相對(duì)位移幅值卻較大，可能會(huì)超過設(shè)備與外界聯(lián)接部件的允許值，甚至?xí)^了隔振元件本身的極限變形范圍[7–8]，因此在隔振裝置的設(shè)計(jì)過程中，如何限制設(shè)備的相對(duì)位移幅值顯得非常重要，簡(jiǎn)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[9–12]。

限位器一方面是為保護(hù)隔振器中的彈性元件，另一方面是為保護(hù)如撓性管接頭、彈性聯(lián)軸器等撓性連接元器件[13–14]。然而一旦限位器發(fā)揮作用，設(shè)備受到額外的沖擊，如果限位器設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能造成設(shè)備沖擊破壞，也可能無法發(fā)揮限位作用。因此，對(duì)限位器結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要的意義。

本文主要針對(duì)單自由度單層沖擊隔振系統(tǒng)進(jìn)行研究。首先從非線性動(dòng)力學(xué)角度，建立帶有彈性限位器的隔振系統(tǒng)物理模型和有限元模型，接著應(yīng)用有限元分析軟件Ansys，采用時(shí)域的非線性瞬態(tài)分析方法對(duì)帶不同阻尼的限位器隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性進(jìn)行分析計(jì)算，從而討論限位器參數(shù)對(duì)艦艇隔振系統(tǒng)的沖擊響應(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。剛性限位器只能用于限制船舶在大風(fēng)浪中搖擺時(shí)設(shè)備的位移，承受沖擊作用時(shí)，如果限位器不破壞，將會(huì)造成極大的二次沖擊。因此，本設(shè)計(jì)中采用彈性限位器，以避免在減小位移時(shí)產(chǎn)生過大的二次沖擊[13]。

圖1 帶限位的隔離器物理模型

圖1中，M代表設(shè)備的質(zhì)量；K隔和C隔分別代表隔振器的剛度和阻尼；K限和C限分別代表限位器的剛度和阻尼，Gap代表單側(cè)限位間隙。限位器的主要參數(shù)為限位間隙、剛度和阻尼，衡量其抗沖擊性能的參數(shù)是在額定沖擊載荷下的設(shè)備最大響應(yīng)：最大相對(duì)位移和最大絕對(duì)加速度。

1.2 有限元模型

帶限位器隔振系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是存在間隙問題，如果只考慮用非線性彈簧來模擬所述的模型則無法考慮到隔離器阻尼與限位器阻尼在實(shí)際問題不一致的情況[15–16]。能夠?qū)崿F(xiàn)帶限位隔振器計(jì)算的方案有很多種。在傳統(tǒng)的抗沖擊設(shè)計(jì)中，普遍考慮分析剛度對(duì)系統(tǒng)抗沖擊性能的影響，忽略阻尼對(duì)系統(tǒng)的影響，即使考慮了阻尼也是將其做大量簡(jiǎn)化，由于實(shí)際沖擊隔離器往往伴隨著大位移，線性假設(shè)已不能滿足計(jì)算的精度要求[17]。下面介紹一種簡(jiǎn)單實(shí)用的計(jì)算方案。圖2中，實(shí)心圓點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)，大寫字母表示編號(hào)，實(shí)線表示單元，數(shù)字表示單元編號(hào)，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2所示：1為線性彈簧單元，代表隔離器的剛度和阻尼；2、3為帶間隙的彈簧單元，分別代表上、下限位器的剛度和阻尼和間隙。B點(diǎn)設(shè)置質(zhì)量單元，代表被隔離設(shè)備的質(zhì)量。

圖2 借助間隙單元的有限元模型

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8個(gè)參數(shù)，且這8個(gè)參數(shù)相互獨(dú)立給各種計(jì)算帶來方便。

1.3 工作原理

隔離器的彈性元件變形較小時(shí)，限位器不發(fā)生作用，當(dāng)隔離器的變形量大于限位單側(cè)間隙時(shí)，限位器壓縮吸能，從而限制設(shè)備產(chǎn)生過大位移。帶限位隔離器系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 帶限位隔離器系統(tǒng)的力學(xué)模型

圖中：線段|OD3|，|OD2|分別代表上、下限位間隙；Slope3和Slope2分別代表隔離器的拉伸剛度和壓縮剛度；Slope4和Slope1分別代表上、下限位器發(fā)揮作用時(shí)系統(tǒng)整體的剛度。一般情況下：|OD3|=|OD2|=Gap，Slope3=Slope2=K隔，Slope1=Slope4=K隔+K限。

2 隔離器性能參數(shù)及沖擊參數(shù)

設(shè)計(jì)中采用6JX-400橡膠隔離器，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%。

為了分析限位器對(duì)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，于垂直方向設(shè)置限位器，通過彈簧阻尼單元來模擬隔振器的隔振特性，沖擊環(huán)境為沖擊隔離系統(tǒng)安裝基礎(chǔ)處所加載的垂向沖擊輸入。本文所討論的沖擊環(huán)境特指來自水雷、魚雷等水下非接觸爆炸。采用的波形為德國BV043-1985沖擊標(biāo)準(zhǔn)推薦的正負(fù)雙半正弦波。

基于實(shí)船爆炸試驗(yàn)時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本文所述的系統(tǒng)遭受了正波幅值125.663 7 g，負(fù)波幅值31.415 9 g，正波脈寬5 ms，負(fù)波脈寬20 ms的正負(fù)雙波的加速度沖擊，波形如圖4所示。

圖4 加載波形

3 沖擊響應(yīng)計(jì)算及分析

3.1 系統(tǒng)有無限位器對(duì)響應(yīng)的影響分析

根據(jù)上述確定的隔離器參數(shù)，若系統(tǒng)存在限位器時(shí)，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α=K限/K隔等于4。系統(tǒng)的相對(duì)位移響應(yīng)和絕對(duì)加速度響應(yīng)分別如圖5和圖6所示。

圖5 有無限位器對(duì)位移響應(yīng)的影響

從圖5中可以看出，在隔離器的位移響應(yīng)未達(dá)到限位間隙之前，兩隔離器的響應(yīng)完全一致，對(duì)于添加限位器的設(shè)備，相對(duì)位移明顯下降。從圖6中可以看出，當(dāng)設(shè)備接觸到限位器的瞬間，加速度突然增大，當(dāng)離開隔離器的時(shí)候突然減小。

圖6 有無限位器對(duì)加速度響應(yīng)的影響

由于系統(tǒng)存在阻尼，故系統(tǒng)能量將不斷耗散，所以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。

3.2 限位器阻尼對(duì)沖擊響應(yīng)的影響分析

隔離器參數(shù)如上所述，并選取限位器單側(cè)間隙為15 mm，限位器與設(shè)備組成的彈簧振子系統(tǒng)阻尼比分別為5%、10%、15%、20%、25%、和30%，同時(shí)通過改變限位器與隔振器的剛度比α=K限/K隔，來研究不同剛度比情況下限位器阻尼對(duì)設(shè)備響應(yīng)的影響。

對(duì)單自由度單層隔振系統(tǒng)施加沖擊載荷后，得到系統(tǒng)在不同阻尼限位器下相對(duì)位移響應(yīng)峰值和絕對(duì)加速度響應(yīng)峰值分別如圖7、圖8所示。

圖7 阻尼比對(duì)位移響應(yīng)的影響

圖7表明，對(duì)于限位器剛度為定值的設(shè)備，設(shè)備相對(duì)位移幅值隨限位器阻尼的增大而減小，小剛度限位器對(duì)阻尼更加敏感，增大阻尼能顯著降低小剛度限位器作用下設(shè)備的相對(duì)位移響應(yīng)幅值。

圖8表明，對(duì)于大剛度比的設(shè)備加速度幅值隨限位器阻尼增大而減小，增大阻尼能顯著減小大剛度限位器作用下設(shè)備的加速度響應(yīng)；對(duì)于小剛度比的設(shè)備加速度幅值隨限位器阻尼增大先減小后增大，針對(duì)此現(xiàn)象，另做計(jì)算分析，結(jié)果如圖9所示。

表1 6JX-400隔離器性能參數(shù)

圖8 阻尼比對(duì)加速度響應(yīng)的影響

圖9 小剛度比限位器阻尼對(duì)加速度響應(yīng)的影響

圖9表明，在限位器阻尼比取值較小（5%、10%、15%）時(shí)，設(shè)備加速度幅值隨著限位器阻尼比的增大而減??；在限位器阻尼比取值較大（20%、25%）時(shí)，設(shè)備加速度幅值隨著限位器阻尼比的增大而緩慢增大。這是因?yàn)樵谙尬黄髯枘岜容^小時(shí)，第一次碰撞（與下限位器碰撞）限位器消耗能量較少，相對(duì)位移幅值和加速度峰值均出現(xiàn)在第二次碰撞（與上限位器碰撞）限位器的時(shí)候；在限位器阻尼比比較大時(shí)，第一碰撞限位器消耗能量較大，相對(duì)位移幅值和加速度峰值均出現(xiàn)在第一次碰撞限位器的時(shí)候。由此可見，適當(dāng)增大限位器阻尼能降低帶大剛度限位器設(shè)備相對(duì)位移和加速度響應(yīng)幅值；適當(dāng)選取限位器阻尼能降低帶小剛度限位器設(shè)備相對(duì)位移和加速度響應(yīng)幅值。對(duì)于不同剛度的限位器參數(shù)需要適當(dāng)選取，否則會(huì)對(duì)設(shè)備造成二次沖擊。

4 結(jié)語

本文探討了單自由度單層隔振系統(tǒng)在帶有不同阻尼限位器的隔振系統(tǒng)抗沖擊性能的影響，借助Ansys軟件對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn)行抗沖擊時(shí)域模擬計(jì)算，對(duì)比分析其不同狀況下的沖擊響應(yīng)特性；通過計(jì)算分析得到如下結(jié)論。

（1）限位器主要用于改善隔振系統(tǒng)的抗沖擊性能。限位器可以有效限制隔振系統(tǒng)的相對(duì)位移響應(yīng)幅值，但值得注意的是，這是以增大隔振系統(tǒng)絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值為代價(jià)。

（2）要提高系統(tǒng)的抗沖擊性能，就必須使系統(tǒng)的恢復(fù)力在整個(gè)響應(yīng)器件盡量均勻。增加限位器阻尼能有效改善此狀況。

（3）增大限位器的阻尼不一定能降低設(shè)備的相對(duì)位移和加速度響應(yīng)幅值。增大阻尼對(duì)小剛度限位器作用下設(shè)備的相對(duì)位移幅值有顯著減小作用，對(duì)大剛度限位器作用下設(shè)備的加速度響應(yīng)幅值有顯著減小作用。

[1]汪玉，華宏星.艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005：1-16，66-68.

[2]GABERSON H A.Classification of violent environments that cause equipment failure[J].Sound and Vibration,2000,34(5):16-23.

[3]嚴(yán)濟(jì)寬.機(jī)械振動(dòng)隔離技術(shù)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1986.

[4]翁雪濤，蔣學(xué)武，信世堡，等.減振系統(tǒng)的抗沖擊性能計(jì)算[J].噪聲與振動(dòng)控制，1999，19(2)：16-20.

[5]周文亮，王強(qiáng).沖擊隔離發(fā)展淺談[J].噪聲與振動(dòng)控制，2002，22(4)：22-25.

[6]趙存生，唐欽，唐斯密.剛度分段線性系統(tǒng)抗沖擊等效線性化研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2010，30(9)：24-27.

[7]唐思密，朱石堅(jiān)，樓京俊.半主動(dòng)干摩擦阻尼器在隔振系統(tǒng)中的抗沖擊優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2012，31(1)：11-15.

[8]趙應(yīng)龍，何琳，黃映云，等.限位器對(duì)隔振系統(tǒng)抗沖擊性能的影響[J].振動(dòng)與沖擊，2005，24(2)：71-76.

[9]單樹軍，何琳.速度階躍法計(jì)算沖擊響應(yīng)幅值的誤差原因和適用條件研究[J].振動(dòng)與沖擊，2007，26(1)：91-94.

[10]許慶新，沈榮瀛.帶限位器的隔振系統(tǒng)沖擊動(dòng)力學(xué)仿真[C].第八屆全國振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)論文文集摘要，上海，2003.

[11]汪玉，胡剛義，華宏星.帶限位器的船舶設(shè)備非線性沖擊響應(yīng)分析[J].中國造船，2003，44(2)：39-44.

[12]林道福.帶限位器的浮筏隔振的沖擊響應(yīng)分析[D].上海：中國科研院上海冶金研究所，2000.

[13]CUNNIFF P F,COLLINS R P.Structural interaction effects on shock spectra[J].Journal of the Acoustical Society ofAmerica,1968,43(2).

[14]SCAVUZZO R J,HILL G D J,SAXE P.The“Spectrum dip”:Dynamic interaction of system components[J].Journal of Pressure Vessel Technology,2015,137(4):044701.

[15]JAVIER BONET,RICHARD DWOOD.Nonlinear continuum mechanics for finite elemnet analysis[M].Canbridge University Press,1997.

[16]張梁娟.海上風(fēng)機(jī)安裝中的軟著路關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[17]尹立國.抗沖擊浮筏隔振系統(tǒng)非線性特性研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2003.

Analysis of the Shock Response of a Single-layer Vibration Isolation System with a Limiter

HAN Lu,MENG Xian-song,YAN Ming,ZHU He
(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

Most of the shock energy can be absorbed by the isolation system in the ship equipment.At the same time,in order to restrict the overlarge deformation of the equipment in the shock response,restrictors are usually necessary.In this paper,a single DOF vibration isolation system is researched by time-domain simulation method.With the condition of underwater explosion,the dynamic responses of the vibration isolation system with different damping restrictors are simulated and studied.The relative displacement and absolute acceleration responses of the vibration isolation system is calculated under the impact load.The influence of limiter parameters on the shock response is analyzed.This work has provided a reference for shock resistance design and performance evaluation for ship equipment.

vibration and wave;restrictor;shock resistance performance;underwater explosion;shock response

O241.82；TH873.4

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.006

1006-1355(2017)05-0029-04

2017-02-19

中國博士后基金資助項(xiàng)目(2014M562622)；航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201404Q5001)

韓璐(1993－)，女，遼寧省撫順市人，碩士生，主要研究方向?yàn)榕炌гO(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)。

孟憲松(1974－)，女，遼寧省本溪市人，碩士生導(dǎo)師。

Email:1261459334@qq.com