帶限位隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)分析

劉海超， 閆 明*， 張春輝， 劉慧芳

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870； 2.海軍研究院， 北京 100161)

0 引 言

水面艦艇尤其是潛艇的威脅主要來自于水中的非接觸爆炸，爆炸沖擊波會使艇體和艇內(nèi)設(shè)備受到強(qiáng)沖擊作用[1-2]。目前，各國海軍普遍在船體與設(shè)備之間添加隔振器，既能降低設(shè)備的振動和噪聲又能增強(qiáng)設(shè)備的抗沖擊能力[3]。一般來說，隔振器的緩沖變形量越大，其抗沖擊能力就越強(qiáng)。為具有良好的隔振緩沖性能，隔振系統(tǒng)的固有頻率一般都較低、加速度幅值較小[4-5]，但設(shè)備的相對位移卻較大，可能會超過設(shè)備與外界連接部件的允許值，甚至?xí)^隔振元件本身的變形范圍[6-7]。為防止艦艇設(shè)備受到?jīng)_擊時(shí)的位移超過允許范圍，通常在被隔振設(shè)備上安裝限位器[8-9]。

限位器一方面是為保護(hù)隔振器中的彈性元件，另一方面是為了保護(hù)如撓性管接頭、彈性聯(lián)軸器等撓性連接元器件[10-11]。在沖擊過程中帶限位的隔振系統(tǒng)剛度往往發(fā)生突變，據(jù)此可判斷帶限位隔振系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)[12-13]。同時(shí)，限位器一旦發(fā)揮作用，如果剛度不合理，較易引起較大的二次沖擊[14]，造成設(shè)備的沖擊破壞。因此，對限位器結(jié)構(gòu)和剛度參數(shù)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)具有重要意義。

首先借助ANSYS中的彈簧間隙單元建立帶間隙的限位隔振系統(tǒng)仿真計(jì)算模型，然后進(jìn)行仿真計(jì)算，分析限位器剛度對隔振系統(tǒng)抗沖擊性能的影響，最后對限位隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)過程進(jìn)行分析，揭示二次沖擊的產(chǎn)生機(jī)理。所得結(jié)論旨在為艦載設(shè)備用限位隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒與指導(dǎo)。

1 帶限位隔振系統(tǒng)

1.1 物理模型

將實(shí)際艦船設(shè)備用限位隔振系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡化，繪出如圖1所示的帶限位隔振系統(tǒng)的物理模型。圖1中：隔振器上下兩端分別與被隔振設(shè)備和基座相連接，主要起支撐和隔振作用；限位器對稱安裝在被隔振設(shè)備的兩側(cè)，主要起限位和隔沖作用。同時(shí)限位器與被隔振設(shè)備之間留有一定的安裝間隙，這樣能夠保證在未受沖擊作用時(shí)隔振系統(tǒng)具有良好的振動性能。M為設(shè)備的質(zhì)量；k隔和c隔分別為隔振器的剛度和阻尼；k限和c限分別為限位器的剛度和阻尼。

圖1 帶限位隔振系統(tǒng)的物理模型

1.2 有限元模型

當(dāng)隔振器的彈性元件變形較小時(shí)，設(shè)備未與限位器發(fā)生接觸，限位器不發(fā)揮作用；當(dāng)隔振器的變形量大于限位器安裝間隙時(shí)，設(shè)備與限位器發(fā)生接觸，此時(shí)限位器壓縮吸能，從而限制設(shè)備產(chǎn)生過大位移。根據(jù)圖1中的限位隔振系統(tǒng)的物理模型并利用ANSYS中帶間隙的彈簧單元構(gòu)建如圖2所示的有限元模型。圖2中：1為CO-MBIN 14線性彈簧單元，用來設(shè)置隔振器的剛度和阻尼；2和3為上下對稱布置的COMBIN 40帶間隙的彈簧單元，分別用來設(shè)置上、下限位器的剛度、阻尼和安裝間隙；實(shí)心圓點(diǎn)D和D′為MASS 21質(zhì)量單元，用來設(shè)置被隔振設(shè)備的質(zhì)量；空心圓點(diǎn)A、B和C為各部分節(jié)點(diǎn)；箭頭表示沖擊載荷的加載位置和加載方向。在該有限元模型中，各參數(shù)相互獨(dú)立，可分別對各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，便于計(jì)算分析。

圖2 借助間隙單元的仿真計(jì)算模型

1.3 沖擊載荷

參考德國BV 043-1985的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將三折線譜信號轉(zhuǎn)換為圖3中的正負(fù)雙半正弦波時(shí)域沖擊載荷，該載荷由正負(fù)兩個(gè)面積相等的半正弦波組成。圖3中：橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為加速度；V1、V2分別為正、負(fù)波速度；A1、A2分別為正、負(fù)波加速度峰值；t1、t2分別為正、負(fù)波的沖擊加載時(shí)間。

圖3 正負(fù)雙半正弦波沖擊載荷

基于實(shí)船爆炸試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)以及相關(guān)理論推導(dǎo)，本次計(jì)算采用正波幅值為160g、負(fù)波幅值為58.36g、正波時(shí)間為4.6 ms、負(fù)波時(shí)間為12.6 ms的正負(fù)雙半正弦波進(jìn)行加載。

2 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

被隔振設(shè)備質(zhì)量為400 kg，選用6JX-400型橡膠隔振器作為限位隔振系統(tǒng)的隔振裝置，隔振器的動剛度為1 010 N/mm，阻尼比為0.06，具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 6JX-400型橡膠隔振器性能參數(shù)

選取限位器的阻尼比為0.1，單側(cè)安裝間隙分別取10 mm、15 mm和20 mm，計(jì)算在每種安裝間隙下被隔振設(shè)備的相對位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)隨剛度比增加的變化規(guī)律。其中：限位器的安裝間隙指被隔振設(shè)備到限位器之間的單側(cè)距離；剛度比指限位器剛度與隔振器剛度的比值，即k限/k隔，當(dāng)剛度比k限/k隔取值在1～10時(shí)稱此時(shí)的限位器為小剛度限位器，當(dāng)剛度比k限/k隔取值大于10時(shí)稱此時(shí)的限位器為大剛度限位器；相對位移是指被隔振設(shè)備相對于基座的位移。

當(dāng)剛度比k限/k隔分別取1、4、9、16、25、36、49、64、81、100時(shí)，設(shè)備的相對位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)曲線如圖4和圖5所示。

圖4 相對位移響應(yīng)規(guī)律曲線

圖5 加速度響應(yīng)規(guī)律曲線

由圖4和圖5可知：對于不同的安裝間隙，設(shè)備的相對位移響應(yīng)和絕對加速度響應(yīng)隨剛度比增大分別具有相似的變化趨勢，因此對其中某一間隙進(jìn)行分析即可。

由圖4可知：被隔振設(shè)備相對位移響應(yīng)隨剛度比的增大而逐漸減小。在剛度比較小的情況下，相對位移響應(yīng)隨剛度比的增大而快速減?。辉趧偠缺容^大的情況下，相對位移響應(yīng)隨剛度比的增大而緩慢減小。

由圖5可知：被隔振設(shè)備的加速度響應(yīng)隨剛度比的增大而逐漸增大。在剛度比較小的情況下，加速度響應(yīng)隨剛度比的增大而快速增大；在剛度比較大的情況下，加速度響應(yīng)隨剛度比的增大緩慢增大，而且當(dāng)剛度比達(dá)一定值時(shí)，不同間隙條件下的加速度響應(yīng)的最大值趨于一致。

為進(jìn)一步分析小剛度限位器對系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響規(guī)律，取剛度比k限/k隔值為1～10進(jìn)行沖擊響應(yīng)計(jì)算，被隔振設(shè)備的相對位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)變化曲線如圖6和圖7所示。

圖6 小剛度限位時(shí)設(shè)備的相對位移響應(yīng)曲線

圖7 小剛度限位時(shí)設(shè)備的加速度響應(yīng)曲線

由圖6和圖7可知：對于小剛度限位器，被隔振設(shè)備的相對位移響應(yīng)隨著剛度比的增大呈現(xiàn)近似線性減小的趨勢，即對于小剛度限位器而言增加剛度比能夠有效減小相對位移響應(yīng)；但被隔振設(shè)備的加速度響應(yīng)隨著剛度比的增大近似線性增大，與相對位移響應(yīng)呈負(fù)相關(guān)。因此，為了保證限位隔振系統(tǒng)具有一定的隔沖性能，在設(shè)計(jì)限位隔振系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮被隔振設(shè)備的相對位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)，使隔振系統(tǒng)具備良好的限位和隔沖性能。

為進(jìn)一步分析限位隔振系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性和限位器的作用機(jī)理，保證橡膠隔振器的剛度阻尼比等參數(shù)不變(見表1)，選取限位器安裝間隙為15 mm，限位器與隔振器的剛度比k限/k隔值為2、16、64進(jìn)行沖擊仿真計(jì)算。圖8和圖9分別為3種工況對應(yīng)的相對位移響應(yīng)和絕對加速度響應(yīng)的時(shí)域曲線。

圖8 相對位移響應(yīng)時(shí)域曲線

圖9 加速度響應(yīng)時(shí)域曲線

由圖8和圖9可知：相對小剛度限位器，大剛度限位器能夠有效限制相對位移響應(yīng)，但同時(shí)引起加速度響應(yīng)快速增大，劇烈變化。與此同時(shí)，無論限位器剛度大或小，相對位移響應(yīng)與加速度響應(yīng)最大值都出現(xiàn)在了第2個(gè)峰值，即產(chǎn)生了二次沖擊，這是由于傳統(tǒng)的限位隔振系統(tǒng)為一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，限位器材料為橡膠、聚氨酯等超彈性材料，具有良好的彈性變形能力。當(dāng)被隔振設(shè)備向下運(yùn)動碰撞到下限位器時(shí)，限位器發(fā)生彈性變形吸收系統(tǒng)動能，隨著被隔振設(shè)備反向運(yùn)動，下限位器恢復(fù)形變釋放儲存的能量，此時(shí)這部分能量與沖擊激勵的負(fù)波能量疊加后作用在上限位器造成了更劇烈的二次碰撞，并且限位器剛度越大，二次沖擊越劇烈。

對于傳統(tǒng)限位隔振系統(tǒng)，不能為了降低相對位移而無限增大限位器的剛度，還應(yīng)保證加速度響應(yīng)不能過高，因此，需合理匹配限位器參數(shù)，或選用新型大阻尼限位結(jié)構(gòu)改善二次沖擊的影響進(jìn)而提高隔振系統(tǒng)的隔振抗沖性能。

3 結(jié) 論

分析限位隔振系統(tǒng)剛度參數(shù)變化對被隔振設(shè)備抗沖擊性能的影響，進(jìn)一步揭示傳統(tǒng)限位器的限位機(jī)理，得出如下結(jié)論：

(1) 在安裝間隙一定時(shí)，隨限位器剛度的逐漸增大，被隔振設(shè)備的相對位移響應(yīng)逐漸減小，但是加速度響應(yīng)迅速增大，二者呈負(fù)相關(guān)，建議采用傳統(tǒng)限位器進(jìn)行限位，必須合理衡量限位距離與加速度響應(yīng)最大值之間的關(guān)系，保證隔振系統(tǒng)在限位的同時(shí)具有較好的抗沖擊性能。

(2) 帶限位隔振系統(tǒng)產(chǎn)生二次沖擊的原因是：被隔振設(shè)備向下運(yùn)動碰撞到下限位器，限位器發(fā)生彈性變形并吸收系統(tǒng)動能，然后隨著被隔振設(shè)備反向運(yùn)動，下限位器恢復(fù)形變釋放儲存的能量，此時(shí)這部分能量與沖擊激勵的負(fù)波能量疊加后作用于上限位器，進(jìn)而造成了更為劇烈的二次碰撞，即二次沖擊，并且限位器剛度越大，二次沖擊越劇烈。

(3) 對于傳統(tǒng)限位隔振系統(tǒng)，無論限位器剛度大或小，均會出現(xiàn)二次沖擊問題，建議在設(shè)計(jì)限位隔振系統(tǒng)時(shí)合理匹配限位器參數(shù)，保證二次沖擊加速度峰值在被隔振設(shè)備所能承受的范圍內(nèi)。同時(shí)，為了有效改善二次沖擊，可選用阻尼系數(shù)較大的吸能材料或設(shè)計(jì)具有黏滯阻尼的限位裝置作為新型限位器。