魚雷振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞特性影響因素分析

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 張志民, 單志雄

魚雷振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞特性影響因素分析

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 張志民, 單志雄

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

魚雷振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 涉及螺栓連接、非線性材料、夾具等結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)系統(tǒng)傳遞特性優(yōu)劣對(duì)振動(dòng)環(huán)境條件模擬的置信度起著決定性的作用, 因此, 構(gòu)建能夠準(zhǔn)確傳遞振動(dòng)試驗(yàn)條件的試驗(yàn)系統(tǒng)是開展結(jié)構(gòu)傳遞特性試驗(yàn)和仿真的基礎(chǔ)。文中針對(duì)艙段振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng), 基于不同邊界條件設(shè)置, 開展隨機(jī)載荷激勵(lì)下系統(tǒng)的傳遞特性有限元仿真分析, 最終確定了影響試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞特性的因素。并得出以下結(jié)論: 1) 螺栓預(yù)緊力、夾具支撐間距、中間層材料屬性是影響系統(tǒng)傳遞特性的主要因素; 2) 在一定范圍內(nèi), 隨著螺栓預(yù)緊力增加, 系統(tǒng)傳遞特性呈遞增趨勢(shì), 當(dāng)擰緊力矩大于40 N·m時(shí)系統(tǒng)傳遞特性趨于穩(wěn)定; 3) 長(zhǎng)細(xì)比為2~4左右的魚雷艙段, 支撐比取50%~66.67%時(shí)系統(tǒng)傳遞特性更好; 4) 中間層取厚度小、摩擦系數(shù)大、阻尼比相對(duì)較大的材料時(shí), 系統(tǒng)共振頻率更高, 傳遞特性更好。

魚雷; 艙段; 振動(dòng)試驗(yàn); 傳遞特性; 影響因素

0 引言

隨著現(xiàn)代魚雷性能指標(biāo)的逐漸提高, 使用平臺(tái)逐步增多, 力學(xué)環(huán)境更加復(fù)雜, 要求不斷優(yōu)化魚雷結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性, 在滿足功能和性能要求的同時(shí), 具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。振動(dòng)試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)魚雷力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力的最主要手段之一[1], 因其能夠較為真實(shí)地模擬振動(dòng)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn), 在結(jié)構(gòu)的性能考核、強(qiáng)度檢驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。魚雷振動(dòng)試驗(yàn)基于振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)展開, 該系統(tǒng)主要是指位于振動(dòng)能量傳遞路徑上的各機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合體(不包括振動(dòng)臺(tái)和測(cè)試設(shè)備)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 涉及螺栓連接結(jié)構(gòu)、中間層非金屬材料、夾具等結(jié)構(gòu)。振動(dòng)試驗(yàn)的可信度取決于試驗(yàn)系統(tǒng)能否將實(shí)際振動(dòng)環(huán)境真實(shí)地作用于試驗(yàn)件上, 既不存在過試驗(yàn), 也不存在欠試驗(yàn)[2]。因此構(gòu)建能夠準(zhǔn)確傳遞振動(dòng)條件的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)是開展振動(dòng)試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)傳遞特性分析的前提。

目前, 結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性分析的主要方法是: 1) 基于結(jié)構(gòu)的線性動(dòng)力學(xué)微分方程(或有限元模型)求解動(dòng)態(tài)參數(shù); 2) 通過正弦掃頻試驗(yàn)測(cè)量結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)[3-4]。

然而, 魚雷經(jīng)受的大部分力學(xué)環(huán)境是隨機(jī)振動(dòng), 若僅采用正弦掃頻試驗(yàn)分析魚雷的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性, 無法獲得全面的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。針對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體, 采用隨機(jī)振動(dòng)仿真分析[5-10], 不僅可以提前預(yù)示試驗(yàn)件的振動(dòng)響應(yīng)情況, 獲得振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中無法測(cè)到部位的響應(yīng)情況, 而且能更加真實(shí)地模擬產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)特性。

因此, 文中基于隨機(jī)振動(dòng)分析, 開展魚雷振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)傳遞特性研究, 確定影響其傳遞特性的因素及其相應(yīng)的取值范圍。

1 基于隨機(jī)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)傳遞特性理論

其中

系統(tǒng)對(duì)任意激勵(lì)的響應(yīng)為

將式(4)代入式(1)得

利用下列關(guān)系

將式(6)代入式(5)得

可得

將式(11)代入式(7)可得

由此得出了試驗(yàn)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率的公式

式中

將式(14)、式(15)代入式(13)可得

式(17)即為由激勵(lì)均方根值與響應(yīng)均方根值表示的試驗(yàn)系統(tǒng)傳遞率。文中基于上述隨機(jī)振動(dòng)傳遞理論開展結(jié)構(gòu)傳遞特性分析。

2 系統(tǒng)傳遞特性影響因素仿真分析

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

工程中考慮到逐級(jí)釋放設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn), 逐步考核結(jié)構(gòu)的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性, 根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的不同, 魚雷振動(dòng)試驗(yàn)可分為: 組/部件級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)、艙段級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)和全雷級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)。文中基于艙段級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)開展結(jié)構(gòu)傳遞特性影響因素分析。

圖1為典型艙段振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng), 由試驗(yàn)件、夾具及緊固件等組成, 振動(dòng)試驗(yàn)前, 需要明確螺栓預(yù)緊力取值、夾具支撐點(diǎn)間距選取以及夾具與試件連接處中間層材料選擇。文中基于有限元隨機(jī)振動(dòng)仿真分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性, 確定螺栓預(yù)緊力、支撐間距、中間層材料屬性對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)傳遞特性的影響程度。

圖1 艙段試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 螺栓預(yù)緊力對(duì)系統(tǒng)傳遞特性影響

以圖1所示的雙支撐方式振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)模型為研究對(duì)象, 開展螺栓預(yù)緊力對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)傳遞特性的影響分析。螺栓處施加預(yù)緊力(10～160 N·m), 利用Workbench開展基于預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析, 不同預(yù)緊力下模態(tài)仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同螺栓預(yù)緊力下系統(tǒng)模態(tài)頻率

由圖2可以看出, 隨著螺栓擰緊力矩不斷增大, 系統(tǒng)模態(tài)頻率呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)擰緊力矩大于40 N·m時(shí), 不同預(yù)緊力下系統(tǒng)模態(tài)頻率變化趨于穩(wěn)定?；谀B(tài)分析結(jié)果, 在10~2 000 Hz范圍內(nèi), 對(duì)系統(tǒng)固定約束端施加0.02 g2/Hz的平直功率譜密度進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析, 不同擰緊力矩下系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性如圖3所示。

圖3 不同螺栓預(yù)緊力下系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率

從圖中可以看出, 隨著螺栓擰緊力矩的增大, 系統(tǒng)傳遞特性呈遞減趨勢(shì), 當(dāng)擰緊力矩小于40 N·m時(shí), 系統(tǒng)傳遞特性不穩(wěn)定; 當(dāng)擰緊力矩大于40 N·m時(shí), 系統(tǒng)前部、中部傳遞特性均趨于穩(wěn)定, 系統(tǒng)傳遞特性較好。

綜上所述, 對(duì)于螺栓預(yù)緊的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng), 在螺栓承載能力范圍內(nèi), 隨著螺栓預(yù)緊力的不斷增大,系統(tǒng)剛度逐漸提高, 模態(tài)頻率不斷增大，傳遞特性趨于穩(wěn)定。因此, 壓緊試驗(yàn)件的螺栓擰緊力矩是影響系統(tǒng)傳遞特性的一個(gè)主因。

2.3 夾具支撐間距對(duì)系統(tǒng)傳遞特性影響

圖4 夾具支撐位置簡(jiǎn)圖

由圖5和圖6可看出, 當(dāng)艙段試驗(yàn)系統(tǒng)支撐比為0.5~0.67時(shí),系統(tǒng)前、中、后部共振峰幅值、傳遞率均取最小值, 此時(shí)系統(tǒng)的頻響特性最好。

圖5 系統(tǒng)響應(yīng)共振峰幅值隨支撐比變化曲線

綜上所述, 夾具支撐位置是影響試驗(yàn)系統(tǒng)傳遞特性的又一關(guān)鍵因素。對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比為2~4左右的魚雷艙段, 振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)夾具支撐間距選取支撐比為(1/2~2/3)較為合理, 此時(shí)系統(tǒng)傳遞放大系數(shù)≤3, 系統(tǒng)傳遞特性最好。

圖6 系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率隨支撐比變化曲線

2.4 中間層材料對(duì)系統(tǒng)傳遞特性影響

振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中夾具與試件連接部位通常設(shè)計(jì)有非金屬中間層, 其主要作用是防止裝夾時(shí)損傷試件, 同時(shí)提供較大的摩擦系數(shù), 防止試件振動(dòng)時(shí)脫離。試驗(yàn)或仿真時(shí), 中間層材料如何選擇, 增加中間層后系統(tǒng)的傳遞特性, 均沒有參考標(biāo)準(zhǔn), 因此, 開展中間層材料對(duì)系統(tǒng)傳遞特性影響分析具有重要意義。如圖7所示試驗(yàn)系統(tǒng)，中間層為彈性模量小、阻尼系數(shù)大、摩擦力大的材料, 當(dāng)中間層為阻尼材料時(shí), 系統(tǒng)可看作以夾具與試驗(yàn)件裝夾面為系統(tǒng)基礎(chǔ), 中間層為隔振器的隔振系統(tǒng), 不考慮夾具特性對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的影響。當(dāng)夾具向中間層施加簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí), 試驗(yàn)系統(tǒng)可等效為圖8所示的振動(dòng)隔離系統(tǒng)。

圖7 中間層+試件系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖8 隔振系統(tǒng)理論模型

式中:為系統(tǒng)質(zhì)量(忽略中間層質(zhì)量);為中間層材料阻尼;為中間層剛度。

傳遞率為

圖9 系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率隨頻率比變化曲線

基于圖8所示系統(tǒng)模型, 在0～2 000 Hz頻率范圍內(nèi), 向系統(tǒng)約束施加0.02 g2/Hz的平直功率譜密度, 分析中間層的材料參數(shù)、厚度對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)傳遞特性的影響。選用2種不同材料、不同厚度的中間層時(shí), 分析厚度分別為1, 2, 3, 20 mm時(shí), 系統(tǒng)的響應(yīng)特性如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)隨中間層厚度變化曲線

由圖10可看出, 增加中間層厚度, 系統(tǒng)的固有頻率逐漸降低，原因是中間阻尼層黏彈性材料的彈性模量較低時(shí), 隨著阻尼層厚度的增加, 剪切變形引起的阻尼結(jié)構(gòu)彎曲剛度下降, 整個(gè)結(jié)構(gòu)變“軟”, 所以固有頻率降低[13-14]。當(dāng)中間層厚度取相同值時(shí), 中間層材料阻尼比大的系統(tǒng)響應(yīng)峰值比阻尼比小的低, 且峰值頻率向高頻方向移動(dòng)。因此, 通過在夾具與試件間增加較小厚度的中間層可使系統(tǒng)共振頻率向高頻區(qū)移動(dòng), 能有效減小夾具響應(yīng)放大對(duì)系統(tǒng)的損傷。試驗(yàn)時(shí), 中間層應(yīng)選擇阻尼比相對(duì)較大, 同時(shí)摩擦系數(shù)較大的材料, 在確保試驗(yàn)件裝夾可靠的前提下, 中間層厚度越小越好。

工程中, 振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)時(shí)常用的中間層材料主要有毛氈、硬橡膠等, 2種材料的參數(shù)如表1所示。

表1 常用中間層材料性能參數(shù)

由表1可以看出, 硬橡膠彈性模量、阻尼比、摩擦系數(shù)均比毛氈大。綜合上述理論及仿真分析結(jié)果, 在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí), 中間層應(yīng)選用厚度為1~3 mm左右的硬橡膠更為合理。因此, 振動(dòng)試驗(yàn)中, 中間層材料是影響系統(tǒng)傳遞特性的又一因素。

3 結(jié)論

文中基于艙段+夾具試驗(yàn)系統(tǒng), 運(yùn)用有限元仿真方法開展不同邊界條件下系統(tǒng)在隨機(jī)載荷激勵(lì)下的傳遞特性分析, 最終確定了影響系統(tǒng)傳遞特性的因素。從文中分析得到以下結(jié)論:

1) 螺栓預(yù)緊力、夾具支撐間距、中間層材料屬性是影響系統(tǒng)傳遞特性的主要因素;

2) 在一定范圍內(nèi), 隨著螺栓預(yù)緊力增加, 系統(tǒng)傳遞特性呈遞增趨勢(shì), 擰緊力矩大于40 N·m即可使系統(tǒng)傳遞特性穩(wěn)定;

3) 對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比為2~4左右的魚雷艙段, 支撐比為(50%~66.67%)時(shí)系統(tǒng)傳遞特性更好;

4) 中間層取厚度小、摩擦系數(shù)大、阻尼比相對(duì)較大的材料時(shí), 系統(tǒng)共振頻率更高, 傳遞特性更好。

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Analysis on the Factors Influencing Structural Transfer Characteristic of Torpedo Vibration Test System

WANG Hong-rui, CAO Xiao-juan, YIN Shao-ping, ZHANG Zhi-min, SHAN Zhi-xiong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The transfer characteristic of the torpedo vibration test system is crucial to the confidence level of vibration environment simulation. Therefore, constructing a test system that can accurately transmit vibration test conditions is the basis for conducting test and simulation of structural transfer characteristic. In this paper, based on different boundary conditions, finite element simulation analysis of transfer characteristic of system under random load excitation is carried out for the cabin vibration test system, and the factors influencing structural transfer characteristic of the test system are determined. Conclusions are drawn as follows: 1) bolt preload, clamp support spacing, and intermediate layer material’s properties are the main factors affecting the transfer characteristic of the system; 2) within a certain range, as the bolt preload increases, the transfer characteristic of the system tends to increase, but when the tightening torque is greater than 40 N·m, the transfer characteristic tends to be stable; 3) the torpedo cabin with a slenderness ratio of 2 to 4 has better system transfer characteristic when the support ratio is from 50% to 66.67%; and 4) when the intermediate layer uses a material with small thickness, large friction coefficient and relatively large damping ratio, the system can achieve higher resonance frequency and better transfer characteristic.

torpedo; cabin; vibration test; transfer characteristic; influencing factor

TJ630.1; O329

A

2096-3920(2019)05-0574-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.014

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 等. 魚雷振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞特性影響因素分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5): 574-579.

2019-03-01;

2019-04-06.

王紅瑞(1985-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與振動(dòng)噪聲控制.

(責(zé)任編輯: 許 妍)