船舶輔機雙層半主動非線性隔振系統(tǒng)振動特性分析

劉正華 陳桃

[摘? ? ? ? ? ?要]? 經(jīng)濟和科技的飛速發(fā)展對現(xiàn)階段的各行各業(yè)都產(chǎn)生了非常大的影響，尤其如航空航天、船舶潛艇等現(xiàn)代器械都在悄悄地改變著人們的生活。同時隨著這部分現(xiàn)代器械對我們生活的重要性逐漸增強，我國不得不提升對這部分現(xiàn)代器械內(nèi)部核心設(shè)備或系統(tǒng)的重視程度，不得不對這部分設(shè)備的質(zhì)量提出更高的要求。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 船舶輔機;雙層半主動非線性隔振系統(tǒng);振動特色

[中圖分類號]? U664.5? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）01-0220-02

現(xiàn)代航海設(shè)備尤其是軍用航海輪船大多配備了非常多的現(xiàn)代精密儀器、電子設(shè)備和武器，尤其是武器在發(fā)射之后會形成非常大的沖擊力，這部分沖擊力會對輪船造成非常大的反作用力;再如武器在距離輪船較近區(qū)域如海底或者空中發(fā)生爆炸，同樣會產(chǎn)生非常大的沖擊力，如果輪船無法有效抵消這部分沖擊力，無疑會對輪船造成非常大的影響，是導(dǎo)致輪船搭載的設(shè)備出現(xiàn)故障的主要原因。如何保護這部分儀器，使其免除沖擊力等因素發(fā)生故障是保護輪船內(nèi)設(shè)備和儀器正常運行的非常重要的因素。

一、機雙層半主動非線性隔振系統(tǒng)特征

對隔振系統(tǒng)的研究伴隨著我國正式自主造船之后便已經(jīng)開始了，同時隔振系統(tǒng)的研究也經(jīng)歷了一個非常長的時間跨度，從最初的單層隔振系統(tǒng)到雙層隔振系統(tǒng)投入使用，歷經(jīng)了很多人的辛勤結(jié)晶。國外有很多專家對于多層隔震系統(tǒng)的理論性能展開了研究，尤其是對于振動相應(yīng)計算和振動的特性分析都展開了非常詳細的討論，但是多層隔震系統(tǒng)在實踐應(yīng)用過程中并不是非常完善，尤其是對于船體上廣泛采用的浮閥裝置沖擊計算并不完善，所以尚未將多層格證系統(tǒng)應(yīng)用在船舶之中。

（一）隔震器的非線性特征

為了達到緩沖和減少船舶所受振動的效果，通常會在很多結(jié)構(gòu)之間安裝金屬橡膠減震器。金屬橡膠減震器是通過金屬橡膠的變形效果和變形之后的恢復(fù)效果來達到減少結(jié)構(gòu)之間振動的目的，然而金屬橡膠減震器經(jīng)實驗證明之后發(fā)現(xiàn)該減震器的變形之后恢復(fù)效果與金屬橡膠在出現(xiàn)變形時候的幅度有關(guān)，也就是說金屬橡膠如果超出了其特定范圍之內(nèi)的變形，很容易出現(xiàn)無法恢復(fù)的情況，而無法恢復(fù)的金屬橡膠則無法起到再次為結(jié)構(gòu)減震的效果，所以金屬橡膠具有一定的滯后性。然而這一滯后性的描述方式也就是力在特定環(huán)境下的變形效果曲線具有多屬性的特征，例如多值性與變形歷史相關(guān)的記憶特性，所以導(dǎo)致該曲線本身是一種非線性曲線，如何對這一曲線進行明確的描述，以更加直觀的方式呈現(xiàn)在我們面前一直都是動力學研究過程中非常困難同時也是急需解決的一大課題。

目前，對于滯后非線性系統(tǒng)的研究重點表現(xiàn)在兩個環(huán)節(jié)：一是滯后非線性模型的建立，該模型在建立之后能夠?qū)蠓蔷€性概念進行明確的表述是一種更為直觀的表達方式;二是滯后非線性系統(tǒng)的響應(yīng)分析，該重點主要研究的是在不同的環(huán)境下，滯后非線性系統(tǒng)的動力學響應(yīng)問題。除此之外多種非線性因素的耦合作用也會對滯后非線性系統(tǒng)的展示方式產(chǎn)生一定影響，如何控制這部分非線性因素，使其能夠更為直觀且準確地表述在滯后非線性系統(tǒng)中同樣成為人們研究的熱點問題。

（二）滯后非線性系統(tǒng)的響應(yīng)研究

現(xiàn)代計算機技術(shù)的出現(xiàn)，對于滯后非線性系統(tǒng)的計算提供了非常有力的手段，尤其是多種非線性因素對于非線性系統(tǒng)的影響和表達方式有了更加直觀和科學的控制手段，該手段的存在對于研究滯后非線性系統(tǒng)動力學，尤其是分叉性與奇異性提供了強有力的手段。尤其是金屬橡膠減震器的材質(zhì)性分析以及不同材質(zhì)所自有的恢復(fù)的系統(tǒng)和滯后非線性系統(tǒng)與系統(tǒng)共振之間的關(guān)系在這一表現(xiàn)方式背景下逐漸成為可能。

（三）船舶機電設(shè)備沖擊非線性研究

船舶自身所攜帶的機電設(shè)備大多數(shù)是精密性非常高的設(shè)備，這部分設(shè)備在進行船舶主體安裝的過程中必須要考慮到船舶振動效果對于機電設(shè)備的影響，所以大多數(shù)機電設(shè)備在安裝的過程中，尤其是結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間同樣會安放減震裝置。減震裝置的工作原理同樣是基于非線性系統(tǒng)特征，如何用非線性系統(tǒng)模型對于船舶機電設(shè)備沖擊效果進行研究，同樣也是我國一直以來思考的重要課題。一般來講，機電設(shè)備所受到的沖擊效果是瞬間產(chǎn)生的，并且在極短距離內(nèi)機電設(shè)備兩者之間發(fā)生的振動效果甚至會出現(xiàn)多次和快頻率的現(xiàn)象，導(dǎo)致機電設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的減震裝置會出現(xiàn)變形的情況。減震裝置通過自身緩慢的恢復(fù)能力，在受到外界沖擊之后進行緩慢的釋放能量，從而達到變形的效果，也就進一步實現(xiàn)了阻攔沖擊的目的。然而船舶在行駛的過程中受到海浪或者自身能量釋放等因素的影響，導(dǎo)致機電設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的減震裝置所受到的振動情況是高頻率的，在極短的時間內(nèi)會發(fā)生多次振動，而減震裝置自身的恢復(fù)能力有限，在受到極大的變形之后需要一定時間來達到恢復(fù)的效果如果在這一過程中再次受到較大振動，不但會大大降低減震裝置的減震效果，甚至會對減震裝置的使用壽命產(chǎn)生影響。

如何對減震裝置進行沖擊隔離是提升減震裝置使用壽命非常重要的因素，同時在這一過程中也必須要考慮減震裝置的剛度，一般對于非線性動力學研究的方法非常多包含特殊函數(shù)法、攝動法、平均法、點應(yīng)設(shè)法。在所有的方法中應(yīng)用最為廣泛的，并且能夠?qū)Ψ蔷€性動力學特征進行最為直接表述的是使用數(shù)值方法。

二、幾種常見的雙層半主動非線性隔振方式

所謂隔振方法指的是對外部的振動進行有效控制的方式來達到減少振動或者阻礙振動的效果，通常隔振方法主要分為被動控制方法和主動控制方法，其中被動控制方法指的是在系統(tǒng)振動控制過程中刨除外力對于隔振系統(tǒng)的影響。而主動隔振方法則指的是在隔振系統(tǒng)參與阻隔振動的過程中，有外力對于隔振系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，例如反饋控制投入隔振系統(tǒng)當中，則稱之為主動控制。

（一）被動隔振控制技術(shù)

被動隔振控制技術(shù)主要指的是在系統(tǒng)進行隔振效果控制的過程中，投入有效阻隔振動的原件，也就是隔震器來達到阻隔振動的效果。被動隔陣控制技術(shù)在現(xiàn)代船舶隔振系統(tǒng)構(gòu)建的過程中發(fā)揮著非常廣泛的應(yīng)用，可以說所有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在進行連接的過程中，絕大多數(shù)都應(yīng)用了隔振器。隔振器在其中發(fā)揮的作用是一種被動的無人力或者機器控制的各種手段，該技術(shù)尤其是對于部分控制能力相對較弱或者出現(xiàn)振動頻率較低的部位進行有效控制的方式，能夠有效降低基礎(chǔ)振動的頻率和振動效果。

金屬橡膠隔振器、彈簧隔振器、橡膠隔振器、氣墊隔振器等多種隔振裝置在船舶的結(jié)構(gòu)連接部位發(fā)揮著非常重要的作用，當然不同的隔振器所反饋出來的效果也存在一定的區(qū)別。例如金屬橡膠隔振器只有結(jié)構(gòu)發(fā)生的頻率遠大于結(jié)構(gòu)所能夠承擔的振動效果數(shù)倍的情況時，才能夠有效起到矯正的效果;而彈簧隔振器大多數(shù)應(yīng)用于體量相對較大的設(shè)備隔振系統(tǒng)，例如重大數(shù)百噸的船舶主體隔振效果便廣泛地應(yīng)用了彈簧隔振器;橡膠隔振器的應(yīng)用范圍相對較廣泛，因為橡膠本身的彈性相對較強，并且橡膠有著非常便捷的切割能力，能夠充分地應(yīng)用于部分較小的零部件之間的隔振作用發(fā)揮。隔振墊在所有隔振系統(tǒng)中性價比是最高的，因為隔振墊的材質(zhì)多種多樣，來源于我們生活的軟木結(jié)構(gòu)、毛氈、橡膠墊或者玻璃纖維都可以作為隔振墊，隔振墊在應(yīng)用過程中的主要優(yōu)勢在于取材廣泛，成本較低，并且操作起來非常便捷，能夠?qū)Σ糠中枰可矶ㄖ频倪B接結(jié)構(gòu)進行有效的裁剪和應(yīng)用。氣墊隔振器通常是由橡膠材質(zhì)的充氣結(jié)構(gòu)構(gòu)成，然而該種隔振器在應(yīng)用過程中尤其是對于頻率較低的振動所產(chǎn)生的作用非常強，甚至比彈簧隔振器所起到的效果更好。

（二）主動隔振控制技術(shù)

主動隔振控制技術(shù)是在被動隔振控制技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新技術(shù)，主要是借助計算機技術(shù)以及新材料的應(yīng)用，尤其是計算機技術(shù)對各個系統(tǒng)的振動效果進行充分的分析之后，以外力的方式對該部位的隔振裝置進行刺激，從而使其達到快速變形的效果。所以一般主動隔振技術(shù)是與被動隔振技術(shù)進行搭配使用的，其目的是在于被動隔振系統(tǒng)如果受到較強的外力而無法及時恢復(fù)原結(jié)構(gòu)形狀的情況下，所采取的一種主動刺激促使其恢復(fù)的手段。

主動隔陣控制技術(shù)主要由被動懸置、作動器、傳感器以及控制裝置四部分組成，尤其是傳感器和作動器是整個系統(tǒng)中最為重要的兩個部件，這兩個部件的正常運行效果將對主動隔振控制系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響。主動隔振控制技術(shù)中，對新材料的應(yīng)用也非常廣泛，尤其是在新技術(shù)背景下所誕生的壓電材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金以及磁流變流體等代表的一大部分類機敏材料是現(xiàn)階段主動隔陣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，并且所取得的效果最好的智能材料。壓電材料憑借其廣泛的應(yīng)用范圍和低廉的價格，在所有材料中脫穎而出，尤其是對于體型較大的和質(zhì)量較重的船艙的振動控制有著非同一般的作用;磁致伸縮材料的應(yīng)用方式相對簡單，相應(yīng)的應(yīng)用范圍也有限，主要是對連接結(jié)構(gòu)簡單的機電設(shè)備作為輔助位移裝置幫助隔振材料能夠盡快地起到恢復(fù)原狀的效果;形狀記憶合金有著非常強的復(fù)位能力，尤其是對較大振幅和較快頻率振幅的振動，都有著非常強的應(yīng)對能力，使用形狀記憶合金能夠有效地起到緩解連接點疲勞和減少結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的結(jié)果。

參考文獻：

[1]徐鵬，鄒冬林，呂芳蕊，等.船舶推進軸系彎—縱耦合效應(yīng)的非線性振動特性[J].中國艦船研究，2019，14（5）：49-57.

[2]李小軍，朱漢華，范世東，等.船舶艉軸承剛度和螺旋槳陀螺效應(yīng)對軸系回旋振動特性影響的分析[J].船舶力學，2019，23（7）：851-858.

[3]方媛媛，夏兆旺，等.船舶輔機浮筏半主動非線性隔振系統(tǒng)振動特性分析[J].船舶力學，2019，23（5）：583-590.

[4]包國治，周馬俊，薛斌，等.船舶輔機雙層半主動非線性隔振系統(tǒng)振動特性分析[J].船舶力學，2018，22（10）：1286-1291.

[5]王雪濤.基于周期結(jié)構(gòu)的船舶輔機雙層隔振系統(tǒng)動力學特性研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2018.

[6]夏兆旺，袁秋玲，茅凱杰，等.船舶輔機單層半主動非線性隔振系統(tǒng)振動特性分析[J].船舶力學，2017，21（1）：69-75.

[7]張輝.船舶浮筏隔振系統(tǒng)的性能分析及參數(shù)優(yōu)化匹配研究[D].武漢：華中科技大學，2016.

[8]徐建龍，許銳，彭利國.基于TPA的船舶雙層隔振系統(tǒng)計算模型與試驗驗證[J].中國艦船研究，2015，10（5）：71-75，91.

編輯 曾彥慧