八連桿抗沖擊隔離器設(shè)計與性能分析

高 鵬，閆 明，溫肇東，張 磊

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110870；2.海軍裝備研究院，北京 100161)

艦艇慣性導(dǎo)航設(shè)備能夠為其提供速度、姿態(tài)及位置信息，是保證艦艇正常運行的關(guān)鍵設(shè)備。對于艦艇來說，水下非接觸爆炸一般不會擊穿船體結(jié)構(gòu)，卻會造成電子設(shè)備的大范圍的破壞，導(dǎo)致艦艇喪失戰(zhàn)斗力[1-3]。由于慣性導(dǎo)航設(shè)備屬于高精密儀器，在水下非接觸爆炸沖擊環(huán)境中，會使其導(dǎo)航精度下降，甚至喪失導(dǎo)航能力，故除提高艦艇本身的抗爆抗沖擊能力外[4]，對慣導(dǎo)設(shè)備進行有效的沖擊防護也尤為重要。面對沖擊環(huán)境的復(fù)雜多變，要求慣導(dǎo)設(shè)備的抗沖擊隔離器需具有以下特點，首先，能夠抵御來自任意方向的沖擊載荷；其次，具有靜態(tài)剛度高的力學(xué)特性，在受到小幅沖擊載荷時，能夠相對艦艇處于靜止狀態(tài)；最后，在保證轉(zhuǎn)角精度的同時，隔離器具有較好隔離率，能夠卸載沖擊載荷，從而保證慣導(dǎo)設(shè)備正常工作。

歐美國家對慣導(dǎo)設(shè)備沖擊防護的研究起步較早，美國Langley研究中心于20世紀末采用了準零剛度技術(shù)為航天飛行器研制的隔振器，對于振動和沖擊具有理想的隔離能力[5]；美國智能自動控制公司為艦載飛機發(fā)動機制作的隔振器，能夠保證在正常飛行期間減小其發(fā)動機振動幅值，為穩(wěn)態(tài)飛行、著陸時抵抗沖擊提供最佳參數(shù)[6]；澳大利亞目前正在研究的將混合式主動隔離技術(shù)，以此來減小沖擊、振動[7]；我國在抗沖擊隔離器研發(fā)方面，也取得了一些成果，包括研制了截止激勵抗沖隔離器、六桿桿隔離器等。

沖擊響應(yīng)屬于瞬態(tài)運動，主動、半主動控制需要一定的反應(yīng)時間和外部動力，故被動式隔沖應(yīng)用較為廣泛[8]。所設(shè)計的八連桿抗沖擊隔離器屬于被動式隔沖器，是多環(huán)一次閉合并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有抗沖擊能力強等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)的對稱性解決了六桿結(jié)構(gòu)橫、縱向剛度不一致的問題，提高了隔離器在復(fù)雜環(huán)境中的抗沖擊能力。通過多體動力學(xué)ADAMS軟件[9]，對比分析了六、八連桿的水平向抗沖擊能力，并仿真分析了沖擊載荷及阻尼參數(shù)變化對八桿結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，進一步計算了隔離器在不同沖擊載荷下的隔離率，并利用500 kg雙波沖擊試驗機對隔離器進行試驗驗證。進一步得到結(jié)論，多桿并聯(lián)隔離器的結(jié)構(gòu)分析和抗沖擊特性研究對精密設(shè)備的沖擊防護具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

八連桿抗沖擊隔離器結(jié)構(gòu)主要由8根隔沖桿、設(shè)備安裝板、基座、上、下鉸鏈結(jié)構(gòu)組成，其中為滿足隔離器轉(zhuǎn)角精度的要求，將連接部件設(shè)計成具有高精度和高強度特性的球形鉸鏈結(jié)構(gòu)。

其中單根隔沖桿結(jié)構(gòu)主要上、下球鉸、推桿、限位結(jié)構(gòu)、導(dǎo)桿、彈性元件組成。由如圖1所示，其工作原理為：假定向下為正方向，當沖擊方向為正向時，推桿向下運動并壓縮彈性元件，一定壓縮量后彈性元件回彈，使推桿反向運動，回到初始位置后進一步帶動導(dǎo)桿共同沿反向運動，當彈性元件到達限位結(jié)構(gòu)時，彈性元件上端停止運動，導(dǎo)桿底部擠壓彈性元件下端使其向上運動，導(dǎo)致彈性元件再次被壓縮，到達極限壓縮量后，彈性恢復(fù)力使導(dǎo)桿向下運動，同時帶動推桿一起運動，周而復(fù)始，進行沖擊隔離，其中彈性元件始終處于壓縮狀態(tài)。

圖1 單根隔沖桿結(jié)構(gòu)Fig.1 Single isolated structure

八連桿隔離器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，為達到隔離器能夠抵御任意方向沖擊載荷的要求，將每2個隔沖桿設(shè)定成一組抗沖擊結(jié)構(gòu)，共4組，沿橫、縱向?qū)ΨQ布置，并均按其端部夾角60°安裝，由此可分別沿垂向、橫向及縱向卸載任意方向的沖擊載荷。

由于整體結(jié)構(gòu)的特殊性，降低了隔離器高度，擴大了八根隔沖桿所圍成的內(nèi)部空間范圍，同時為了降低系統(tǒng)體積和設(shè)備的重心，提高系統(tǒng)利用率，將用于模擬設(shè)備的質(zhì)量體反向安裝至隔離器內(nèi)部。

圖2 整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Whole structure

基于慣導(dǎo)設(shè)備對靜態(tài)剛度高的要求，需對隔沖桿內(nèi)部彈性元件進行預(yù)緊，根據(jù)慣導(dǎo)設(shè)備的相關(guān)標準，設(shè)定預(yù)緊力為F0，且F0大于所承載的重力，因此當系統(tǒng)沒有受到?jīng)_擊作用時，彈性元件不發(fā)生變形；當系統(tǒng)受到振動載荷時，由橡膠片進行隔振；當系統(tǒng)受到?jīng)_擊載荷F，且F≤F0時，彈性元件不發(fā)生變形，沖擊載荷F通過隔沖桿內(nèi)部橡膠片緩沖后作用到被隔離設(shè)備上，由于沖擊力小于設(shè)備允許承受的極限沖擊力，因此可保證設(shè)備安全運行；當F>F0時，彈性元件發(fā)揮緩沖作用。

1.2 橫、縱向隔沖原理對比分析

基于傳統(tǒng)六連桿結(jié)構(gòu)橫、縱向剛度不一致以及相鄰隔沖桿組間角度過大導(dǎo)致弱項桿組不能完全發(fā)揮作用的問題，所設(shè)計的隔離器在桿組數(shù)量及結(jié)構(gòu)對稱性方面做出了適當?shù)母纳啤Ｈ鐖D3所示，左、右兩組圖分別為六桿、八桿結(jié)構(gòu)的三維以及橫、縱向隔沖原理圖。桿組在水平向上的隔沖夾角分別為120°、90°，F(xiàn)為來源于任意方向的瞬時沖擊載荷。

分別對兩種結(jié)構(gòu)的橫、縱向隔沖原理進行分析，圖3(a)中，六桿結(jié)構(gòu)的C向桿組將承受主要沖擊，而A、B向桿組為弱項桿組，即C向桿組發(fā)揮主要隔沖作用，而弱項桿組A、B則按照沖擊角度的差異分別承載大小不同的沖擊載荷，其中

(a) 六桿結(jié)構(gòu)(b) 八桿結(jié)構(gòu)

θA+θB= 120°

(1)

當θA>θB時，弱項桿組B將承受更多瞬時載荷，同理當θA<θB時，桿組A將承受更多瞬時載荷，即桿組A、B所承受的載荷大小與其相隔沖向和沖擊向的夾角成反比。由此可見，瞬時載荷的分配不均勻性降低了隔沖桿組的利用率。

而在八桿結(jié)構(gòu)中，由于4組隔沖桿為對稱布置，故其橫、縱向剛度具有高度的一致性，且

θD+θE= 90°

(2)

即桿組與沖擊方向的夾角范圍更小，提高了載荷分配的均勻性，實現(xiàn)了在復(fù)雜沖擊環(huán)境中，隔離器可沿垂向、橫向、縱向?qū)碓从谌我夥较虻臎_擊載荷進行緩沖隔離。

1.3 機構(gòu)自由度分析

(3)

并不適于多自由度、多環(huán)的空間機構(gòu)自由度計算，故將以螺旋理論[10]為基礎(chǔ)，通過反螺旋自由度原理計算八連桿結(jié)構(gòu)的自由度。

八連桿結(jié)構(gòu)為對稱的多環(huán)一次閉合并聯(lián)結(jié)構(gòu)，共有8個分支，所有分支的上端與動平臺發(fā)生閉合，下端與靜平臺發(fā)生閉合。

圖4中每個分支(隔沖桿)中間為移動副，兩端均為球面副，故單根隔沖桿的螺旋系為

＄S1=(1 0 0 ；0 0 0)

＄S2=(0 1 0 ；0 0 0)

＄S3=(0 0 1 ；0 0 0)

＄p1=(0 0 0 ；d1e1f1)

＄S4=(0 1 0 ；d4e4f4)

＄S5=(1 0 0 ；d5e5f5)

＄S6=(0 0 1 ；d6e6f6)

圖4 單獨分支螺旋系Fig.4 Single branched helix system

假定上、下球鉸為限制繞隔沖桿軸線轉(zhuǎn)動的球銷結(jié)構(gòu)，則單支隔沖桿螺旋及反螺旋系如圖5所示，其螺旋系可表示為

＄S1=(0 1 0 ；0 0 0)

＄S2=(1 0 0 ；0 0 0)

＄p1=(0 0 0 ；e1d1f1)

＄S3=(1 0 0 ；e3d3f3)

＄S4=(0 1 0 ；e4d4f4)

圖5 單獨分支螺旋及反螺旋系Fig.5 Single branched helix and reverse helix

(4)

(5)

分別對機構(gòu)的自由度進行求解驗證，其中式(4)中的d=6-λ=5。

由式(4)得到

式(5)中過約束u應(yīng)等于平臺承受反螺旋的總數(shù)與對應(yīng)獨立的反螺旋數(shù)之差，由于八個分支的結(jié)構(gòu)相同，形成的反螺旋系的秩為1，故u=8-1=7，則由式(5)得到

兩個公式的計算結(jié)果均為5，在單支不存在局部自由度的情況下(單支結(jié)構(gòu)運動螺旋發(fā)生線性相關(guān))，動平臺自由度為5，即設(shè)備安裝板沿垂向的扭轉(zhuǎn)自由度被限制。

綜上，能夠使設(shè)備安裝板具有六自由度的球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

2 仿真分析

2.1 六、八連桿結(jié)構(gòu)水平向抗沖擊性能對比

根據(jù)前文分析，所設(shè)計的八連桿抗沖擊隔離器具有橫、縱向剛度一致性的優(yōu)點。同時，相比于六桿結(jié)構(gòu)而言，其桿組布置形式的特殊性減小了隔沖方向間的夾角范圍，提高了隔沖桿組利用率，故將通過仿真計算對此結(jié)論進行進一步分析。

首先，建立六連桿隔離器的三維模型，如圖6所示，并將其導(dǎo)入至ADAMS軟件中，設(shè)置單位類型為MKS即m、kg、s(米、千克、秒)；與八桿結(jié)構(gòu)相同，利用ADAMS建立該虛擬樣機的運動副，其中在上、下球座與基座、頂板之間和外部套筒處建立固定副，隔沖桿內(nèi)部建立移動副，上、下球鉸結(jié)構(gòu)建立球副。

圖6 六連桿結(jié)構(gòu)Fig.6 Six connecting rod structure

其次，通過準靜態(tài)壓縮試驗，獲得隔沖桿的靜剛度曲線，并將其擬合成樣條曲線作為六、八連桿隔離器的剛度參數(shù)，剛度曲線如圖7所示。

同時，設(shè)定其他仿真參數(shù)，本次仿真中采用沖擊函數(shù)法(Impact)進行接觸計算，接觸類型為實體與實體(Solid-Solid)，材料接觸剛度為1×108N/m，貢獻指數(shù)(Force Exponent)為2.2，切入深度為1×10-4m；利用AKISPL函數(shù)，將輸入載荷擬合為正負雙正弦的樣條曲線作為水平向的沖擊驅(qū)動，其正波脈寬6 ms，負波脈寬14.5 ms，正波加速度峰值為120.51g，負波加速度峰值為65.6g。其沖擊方向如圖8所示，分別沿橫向、縱向?qū)α鶙U隔離器的進行沖擊仿真。而由于八桿結(jié)構(gòu)中水平向上的橫、縱向結(jié)構(gòu)及剛度一致，故只對其進行橫向沖擊仿真。

圖7 靜剛度曲線Fig.7 Static stiffness curve

圖8 沖擊方向Fig.8 Impact direction

最后，對六桿及八桿結(jié)構(gòu)進行仿真計算，設(shè)定仿真步數(shù)為1 000，時間為0.3 s。

從圖9兩種結(jié)構(gòu)的水平向加速度響應(yīng)中得出，六連桿隔離器的縱向沖擊加速度響應(yīng)略小于橫向，且響應(yīng)曲線更平滑。橫向的加速度響應(yīng)曲線存在較多突變的峰點，且該響應(yīng)結(jié)果曲線在0.07～0.17 s間存在非規(guī)律性變化，除計算誤差外，很有可能是六連桿隔離器隔沖夾角范圍大、隔沖桿利用率低導(dǎo)致的響應(yīng)突變和響應(yīng)曲線的隨機性變化。綜合對比八連桿結(jié)構(gòu)，在初始階段，八桿對加速度的隔離效果好于六桿結(jié)構(gòu)，但兩種結(jié)構(gòu)區(qū)別不大；在隨后的時域曲線中，明顯得出八連桿結(jié)構(gòu)的準零特性較為明顯，水平向?qū)_擊載荷的隔離效果明顯好于六桿結(jié)構(gòu)。

圖9 六桿及八桿結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)Fig.9 Acceleration response of six and eight rod structure

2.2 沖擊載荷與阻尼對隔離器的影響

設(shè)備加速度響應(yīng)和相對位移響應(yīng)是評價抗沖擊性能的兩個重要參數(shù)，因此，將通過改變阻尼系數(shù)，分析不同的阻尼系數(shù)對加速度及相對位移響應(yīng)的影響，以了解阻尼系數(shù)與沖擊響應(yīng)幅值的一般規(guī)律。

固定隔沖桿的幾何參數(shù)以及剛度特性，在Design Variable中設(shè)定參數(shù)C，其值為隔沖桿內(nèi)部的阻尼系數(shù)，將其取值為0.01 N·s/m、0.1 N·s/m、10 N·s/m、40 N·s/m、100 N·s/m，由此得到不同阻尼系數(shù)下，八連桿抗沖擊隔離器中被隔離設(shè)備的加速度以及相對位移響應(yīng)，如圖10、11所示。

圖10 不同黏性阻尼下的加速度響應(yīng)變化Fig.10 The change of acceleration response under different damping

圖11 不同黏性阻尼下的相對位移響應(yīng)變化Fig.11 Change of relative displacement response under different damping

由響應(yīng)結(jié)果可知，阻尼系數(shù)對設(shè)備加速度及相對位移響應(yīng)的衰減周期有較大影響，即當阻尼系數(shù)增大時，能夠使設(shè)備響應(yīng)加速衰減。在響應(yīng)幅值方面，設(shè)備相對位移響應(yīng)幅值和阻尼系數(shù)呈反比關(guān)系，但對于加速度響應(yīng)來說，當黏性阻尼系數(shù)變化幅度較小時，改變阻尼大小對設(shè)備加速度響應(yīng)幅值影響并不明顯。

為分析所設(shè)計的八連桿抗沖擊隔離器在不同脈寬下的抗沖擊特性，將對隔離器進行多工況下的沖擊仿真，將三折線譜轉(zhuǎn)化為正、負雙正弦信號作為沖擊激勵。在譜加速度、譜位移不變的條件下，改變譜速度能夠改變雙正弦激勵的正波脈寬，同時保證正波加速度峰值保持不變，故設(shè)定譜速度分別為5 m/s、6.2 m/s、7.4 m/s以及8.6 m/s，對八連桿抗沖擊隔離器進行垂向沖擊仿真，從而分析不同的沖擊脈寬下的隔離器抗沖擊性能。

從圖12的加速度響應(yīng)波形上看，改變脈寬對設(shè)備的加速度響應(yīng)衰減周期影響不大。在幅值方面，改變脈寬會使加速度響應(yīng)幅值變大，但增長幅度較小。由此可得出所設(shè)計的八連桿隔離器具有廣泛的抗沖擊區(qū)間，隔沖范圍滿足抗沖擊要求。

圖13的位移響應(yīng)曲線上得出，在正波加速度峰值不變的條件下，隨著脈寬變大，位移響應(yīng)幅值有微量增加，變化并不明顯，體現(xiàn)了隔離器穩(wěn)定的抗沖擊性能。

圖12 不同譜速度下的加速度響應(yīng)變化Fig.12 The change of acceleration response at different spectral velocity

圖13 不同譜速度下的相對位移響應(yīng)變化Fig.13 Variation of relative displacement response at different spectral velocities

3 沖擊試驗及仿真對比

為驗證八連桿抗沖擊隔離器的隔離率是否滿足要求，將根據(jù)德國BV043-85的相關(guān)規(guī)定，通過500 kg雙波沖擊試驗機對隔離器進行沖擊，沖擊方向為沿垂向及傾斜30°表示的橫向。圖14、15中，將加速度傳感器分別安裝置至設(shè)備頂面中心和沖擊臺面上，以此來獲得沖擊及響應(yīng)加速度、速度及相對位移，其中垂向沖擊加速度幅值為139.31g，橫向沖擊加速度幅值為110.78g，沖擊脈寬約為20 ms。

圖14 垂向沖擊試驗Fig.14 Vertical impact test

圖15 橫向沖擊試驗Fig.15 Lateral impact test

同時，將試驗獲得的沖擊數(shù)據(jù)生成樣條曲線，作為仿真中的沖擊激勵，其余參數(shù)設(shè)定與前文中一致，通過仿真計算響應(yīng)結(jié)果并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，其中圖16為沖擊仿真示意圖。

圖16 垂向及橫向仿真示意圖Fig.16 Schematic diagram of vertical and lateral simulation

通過圖17、18的數(shù)據(jù)顯示，試驗及仿真結(jié)果的加速度響應(yīng)曲線均呈矩形分布，耗能效率更高，體現(xiàn)了隔離器的準零特性。而在后期的衰減結(jié)果中，垂向加速度響應(yīng)在仿真數(shù)據(jù)中略大于試驗結(jié)果，這是由于八桿結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致其加工存在一定的誤差，以及隔沖桿內(nèi)部彈性元件間劇烈摩擦產(chǎn)生的庫倫阻尼加速了衰減過程。

同理，分別在垂向、傾斜橫向的安裝位置下，逐級施加不同的沖擊載荷，對比分析試驗及仿真的加速度響應(yīng)幅值，見表1、2。

圖17 垂向加速度響應(yīng)對比Fig.17 Comparison of vertical acceleration responses

圖18 橫向加速度響應(yīng)對比Fig.18 Comparison of lateral acceleration responses

表1 垂向加速度響應(yīng)對比Tab.1 Comparison of vertical acceleration responses

表2 橫向加速度響應(yīng)對比Tab.2 Comparison of lateral acceleration responses

明顯得出，仿真及試驗的響應(yīng)幅值誤差在5%左右，驗證了理論計算的合理性。表中仿真幅值略小于試驗幅值，這是由于碟簧在長期放置后產(chǎn)生微小的塑性變形，導(dǎo)致剛度增大，軟特性被削弱，使試驗結(jié)果相對較大。

為驗證隔離效果，需計算沖擊隔離率，其值越大，表示隔離器的沖擊隔離作用越顯著。沖擊隔離率η計算公式為

(6)

式中：Amax1是激勵加速度幅值；Amax2是設(shè)備加速度響應(yīng)幅值。

垂向及橫向沖擊的隔離率計算結(jié)果如表3、4所示。

表3 垂向隔離率Tab.3 Vertical isolation rate

表4 橫向隔離率Tab.4 Lateral isolation rate

數(shù)據(jù)顯示，隨著沖擊載荷的逐漸提高，隔離率顯著提升，而較小沖擊載荷下，雖然隔離率小于百分之八十，但由于隔沖后產(chǎn)生的加速度響應(yīng)更小，故不會對設(shè)備產(chǎn)生沖擊破壞，即該結(jié)構(gòu)的隔離效果滿足抗沖擊要求。

而在橫向沖擊載荷為81.01g及110.78g時，其加速度響應(yīng)結(jié)果差別不大，體現(xiàn)了隔離器具有穩(wěn)定的抗沖擊性能。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計了一種多桿并聯(lián)的八連桿抗沖擊隔離器，具有靜態(tài)剛度高、體積小、高度低、受慣性力影響小的特性；同時其八桿結(jié)構(gòu)的特殊性使桿組與沖擊方向的夾角范圍更小，提高了載荷分配的均勻性和桿組利用率。

(2)通過螺旋理論驗證了所設(shè)計的八連桿抗沖擊隔離器具有6個自由度，結(jié)構(gòu)合理。

(3)通過仿真對比分析了六、八連桿隔離器的水平向抗沖擊能力，得出八連桿抗沖擊隔離器水平向加速度響應(yīng)更小，響應(yīng)結(jié)果更穩(wěn)定，即抗沖擊性能更好。

(4)利用仿真分析了阻尼及沖擊載荷對隔離器的影響，得出結(jié)論：

在時域上，改變阻尼系數(shù)能夠縮短響應(yīng)的衰減周期。在響應(yīng)幅值方面，阻尼系數(shù)對相對位移響應(yīng)幅值影響較大，但當黏性阻尼系數(shù)變化幅度較小時，改變阻尼系數(shù)大小對設(shè)備加速度響應(yīng)幅值影響不大。

當增加沖擊脈寬時，設(shè)備的響應(yīng)周期基本不發(fā)生變化，雖然加速度響應(yīng)幅值有所增大，但增長幅度非常小，說明八連桿抗沖擊隔離器的隔沖范圍廣。同時，位移響應(yīng)曲線基本沒有發(fā)生變化，也說明了該結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的抗沖擊性能。

(5)根據(jù)沖擊試驗驗證了理論結(jié)果的正確性，并通過計算垂向及橫向的隔離率，得到隨沖擊載荷的逐漸提高，隔離率有顯著提升，隔離器效果滿足抗沖擊要求；在分析橫向沖擊結(jié)果時發(fā)現(xiàn)，當沖擊載荷較大時，加速度響應(yīng)結(jié)果差別不大，說明八連桿隔離器具有穩(wěn)定的抗沖擊性能。

綜上，所設(shè)計的八連桿抗沖擊隔離器結(jié)構(gòu)合理，并具有理想的抗沖擊特性。進一步得出，機械設(shè)計理論與沖擊領(lǐng)域的深度結(jié)合，能夠為隔離裝置的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。