八連桿隔離器的結(jié)構(gòu)及隔沖特性分析

張 磊，高 鵬，閆 明，杜志鵬

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

隨著精密武器的迅猛發(fā)展，水中兵器的爆炸當(dāng)量和沖擊持續(xù)時(shí)間明顯增加，對艦艇結(jié)構(gòu)以及艦載設(shè)備的破壞能力越來越強(qiáng)[1]。根據(jù)大量實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)得出，水下非接觸爆炸一般不會擊穿船體結(jié)構(gòu)，但會使大量艦載設(shè)備失效，導(dǎo)致艦艇喪失戰(zhàn)斗力[2-4]。在艦載設(shè)備中，慣性導(dǎo)航設(shè)備是艦艇運(yùn)行時(shí)不可缺少的精密儀器，能夠?yàn)榕炌峁┳藨B(tài)、速度和位置等信息，當(dāng)受到?jīng)_擊損傷后，會嚴(yán)重削弱艦艇的機(jī)動(dòng)和戰(zhàn)斗能力，故為保障艦船正常運(yùn)行，展開對提高慣導(dǎo)設(shè)備隔離裝置隔沖特性的研究至關(guān)重要。

一般隔離裝置按緩沖形式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，由于沖擊響應(yīng)屬于瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，而主動(dòng)式裝置需要一定的反應(yīng)時(shí)間，所以被動(dòng)式隔沖裝置應(yīng)用更為廣泛，其中被動(dòng)式結(jié)構(gòu)主要有鋼絲繩、橡膠[5-6]等等，雖然此類結(jié)構(gòu)在進(jìn)行剛度[7-8]及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究后具備較好的隔離效果，但不能滿足快速和精確復(fù)位要求，故國內(nèi)、外科研人員提出了準(zhǔn)零剛度隔離器[9-10]、三向隔離器[11]以及基于Stewart設(shè)計(jì)理念提出的各種六連桿隔離器[12-15]，使隔離器的抗沖擊性能有了顯著提高。盡管所提出的結(jié)論被廣泛的接受和引用，但是諸多研究成果大多是基于速度階躍法或半正弦波激勵(lì)得出的時(shí)域響應(yīng)結(jié)果，以頻域?yàn)檠芯炕A(chǔ)，考核其隔振、隔沖性能研究不多。

故基于慣導(dǎo)設(shè)備對抗沖擊隔離器的要求，同時(shí)借鑒多桿結(jié)構(gòu)原理，提出了八連桿抗沖擊隔離器，并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜剛度校準(zhǔn)、動(dòng)剛度分析以及隔振性能測試；最終，以大量沖擊試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了八桿隔離器在時(shí)域和頻域上的隔沖性能。

1 主體結(jié)構(gòu)分析及自由度計(jì)算

基于Stewart平臺設(shè)計(jì)理念，以及慣導(dǎo)設(shè)備的抗沖擊防護(hù)要求，提出了一種能夠防護(hù)瞬時(shí)沖擊的被動(dòng)式多桿并聯(lián)隔離器，圖1(a)中，該結(jié)構(gòu)主要由隔沖桿、設(shè)備安裝板、底座、上、下鉸鏈結(jié)構(gòu)以及用于模擬設(shè)備的質(zhì)量塊組成。

其中，隔沖桿夾角均為60°的布置方式擴(kuò)大了結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間范圍，可將用于模擬設(shè)備的質(zhì)量體反向安裝至隔離器內(nèi)部，有效的降低了系統(tǒng)體積和設(shè)備重心。圖1(b)中，8根隔沖桿形成對稱結(jié)構(gòu)，使不同隔沖向剛度具有高度的一致性，可將源自任意方向的沖擊載荷分解為沿垂、橫、縱向的分力，進(jìn)行緩沖隔離。且為滿足隔離器轉(zhuǎn)角精度的要求，將連接隔沖桿、設(shè)備安裝板和基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有高精度和高強(qiáng)度特性的球形鉸鏈形式。

同時(shí)，如圖2所示，由于該結(jié)構(gòu)為多環(huán)閉合空間機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)計(jì)算自由度方法并不適用，故利用螺旋理論[16-17]計(jì)算得出，以球鉸鏈作連接元件的隔離器具有6個(gè)自由度，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖2 環(huán)裝閉合結(jié)構(gòu)隔離器Fig.2 Isolator with ring-closed structure

2 剛度及隔振特性分析

2.1 靜剛度分析

由于慣導(dǎo)設(shè)備隔離器要求能夠通過調(diào)節(jié)彈性元件來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的變化，使隔離器具有靜態(tài)剛度高、動(dòng)態(tài)剛度低的特性。故采用緩沖吸能特性顯著的碟簧作為隔沖桿的彈性元件。同時(shí)，設(shè)定隔離器預(yù)緊力為2.5g，即彈性元件發(fā)揮作用的臨界值，根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算得出，單根桿的垂向負(fù)載為51.76 N，軸向負(fù)載為59.76 N。

F1=ma/8

(1)

F=F1/cos 30°

(2)

式中:F1為單根桿的垂向負(fù)載;F為軸向負(fù)載;m為隔離器上層質(zhì)量;a為沖擊加速度。

為保證隔沖桿滿足預(yù)緊要求，對8根隔沖桿進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。圖3中，從單根隔沖桿的靜剛度曲線可以得出，其預(yù)緊力拐點(diǎn)在60 N附近，與理論計(jì)算的軸向負(fù)載值比較接近。

圖3 單根隔沖桿靜剛度曲線Fig.3 Static stiffness curve of single isolator

同時(shí)，對隔離器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，以校核整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)靜剛度，獲得整體結(jié)構(gòu)預(yù)緊力拐點(diǎn)為407 N。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)及式(1)、(2)，得出單根桿垂向負(fù)載為50.88 N，軸向負(fù)載為58.74 N，與理論計(jì)算相符，即該結(jié)構(gòu)滿足預(yù)緊力設(shè)定要求。

2.2 動(dòng)剛度分析

為了研究八連桿抗沖擊隔離器垂向動(dòng)態(tài)剛度變化情況，利用ADAMS對隔離器進(jìn)行動(dòng)態(tài)剛度仿真，其仿真模型如圖4所示。

圖4 隔離器垂向動(dòng)剛度計(jì)算Fig.4 The calculation of the vertical dynamic stiffness of the isolator

仿真分析中，固定基座，給動(dòng)平臺施加正弦位移驅(qū)動(dòng)，使其按照正弦規(guī)律圍繞平臺靜平衡位置作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：0.02sin(2πft)，即位移激勵(lì)頻率為2 Hz、振幅為0.02 m。

結(jié)合圖5(a)隔沖桿結(jié)構(gòu)，以及圖5(b)力-位移曲線，得出隔沖桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程為：初始階段，動(dòng)平臺向下運(yùn)動(dòng)，使聯(lián)動(dòng)桿壓縮碟簧組件；到達(dá)極限壓縮量(位移幅值)后進(jìn)入階段2，碟簧向上回彈到達(dá)平衡位置后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；在階段3中，碟簧回彈使聯(lián)動(dòng)桿拉動(dòng)導(dǎo)桿上端向上運(yùn)動(dòng)，但在限位結(jié)構(gòu)作用下，碟簧組件上端停止運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)桿下端繼續(xù)壓縮碟簧；進(jìn)入階段4，壓縮至極限后向下回彈，周而復(fù)始，進(jìn)行緩沖隔離。

(a) 單根隔沖桿結(jié)構(gòu)

令隔離器的垂向動(dòng)態(tài)等效剛度Ke為

(3)

由式(3)計(jì)算得到垂向動(dòng)態(tài)剛度值約為75.17 N/mm。

進(jìn)一步采用頻率為0.5 Hz、2 Hz、6 Hz對隔離器施加激勵(lì)，以分析不同的激勵(lì)頻率對隔離器垂向動(dòng)剛度的影響。

如圖6所示，一定范圍內(nèi)，隨著激勵(lì)頻率的逐漸增加，隔離器的垂向動(dòng)剛度增大。故為探究在不同頻率下的動(dòng)剛度變化范圍，固定激勵(lì)幅值，設(shè)定激勵(lì)頻率范圍為0.1～20 Hz，展開大量的垂向動(dòng)剛度仿真，得出隔離器的垂向等效動(dòng)剛度值在不同激勵(lì)頻率下的變化規(guī)律，如圖7所示，在激勵(lì)頻率為6～10 Hz內(nèi)，隔離器的垂向動(dòng)剛度較大，但整體垂向動(dòng)剛度值變化范圍不大，約為70～80 N/mm。

圖6 不同激勵(lì)頻率下的垂向動(dòng)剛度變化曲線Fig.6 Vertical dynamic stiffness curve under different excitation frequencies

圖7 垂向等效動(dòng)剛度變化曲線Fig.7 Vertical equivalent dynamic stiffness curve

同理，采用相同激勵(lì)方式展開水平向動(dòng)剛度仿真。得出2 Hz激勵(lì)頻率下，水平向動(dòng)剛度等效值約為17.03 N/mm。進(jìn)一步設(shè)定頻率范圍為0.1～20 Hz，仿真發(fā)現(xiàn)在3～5 Hz范圍內(nèi)，水平向動(dòng)剛度較大。

分析垂向、水平向動(dòng)剛度等效值在不同頻率激勵(lì)下的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，在激勵(lì)頻率接近隔離器的垂、水平向一階頻率時(shí)，該隔離器動(dòng)剛度最大。

2.3 固有頻率及隔振特性

為測量隔離器的固有頻率以及隔振性能，對八連桿抗沖擊隔離器進(jìn)行垂向及水平向隔振性能測試。設(shè)定掃頻范圍為5～500 Hz，對振動(dòng)試驗(yàn)臺施加峰值為±51 mm的正弦位移激勵(lì)信號，同時(shí)分別將低頻至高頻與高頻至低頻的掃頻方式設(shè)定為正向及反向掃頻，其試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 5～500 Hz垂向掃頻曲線Fig.8 Vertical frequency sweep curve of 5-500 Hz

從圖8中得出，以正、反兩種方式進(jìn)行掃頻得到的一、二階頻率以及共振區(qū)間、隔振區(qū)間范圍非常接近，進(jìn)而推斷出，隔離器結(jié)構(gòu)及垂向頻率較為穩(wěn)定，其垂向一階頻率約為10.93 Hz，隔振區(qū)間范圍為29.7～315.9 Hz及477.9～500 Hz。同理，在相同激勵(lì)條件下，獲得水平向頻率約為5.39 Hz，隔離器繞垂向軸旋轉(zhuǎn)45°后頻率約為5.37 Hz，隔振區(qū)間范圍分別約為9.1～500 Hz和9.9～500 Hz。

相比動(dòng)剛度峰值頻率范圍，試驗(yàn)獲得的固有頻率略大，主要原因?yàn)榘烁魶_桿內(nèi)部碟簧及墊片數(shù)量過多，相互間以及與導(dǎo)桿等零件之間快速接觸，產(chǎn)生了過多的庫倫摩擦，導(dǎo)致試驗(yàn)值大于仿真值。

3 隔沖特性分析

將采用500 kg正、負(fù)雙正弦沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行垂向及水平向沖擊試驗(yàn)，以分析隔離器的抗沖擊性能。圖9(a)為垂向沖擊試驗(yàn)，圖9(b)采用傾斜30°的安裝模式，將垂向激勵(lì)轉(zhuǎn)化為沿傾斜方向的載荷，實(shí)現(xiàn)水平向沖擊。其中，測點(diǎn)1用于測量設(shè)備的加速度響應(yīng)，測點(diǎn)2用于測量臺面的沖擊加速度。

(a) 垂向

3.1 時(shí)域分析

沖擊試驗(yàn)中，將結(jié)合大量相關(guān)沖擊試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，定制沖擊環(huán)境主要參數(shù)，其中垂向沖擊試驗(yàn)的激勵(lì)加速度最大值為113.12g，水平向沖擊為95.59g，正波沖擊脈寬分別約為4.9、4.7 ms，負(fù)波沖擊脈寬分別約為18.6、16.7 ms。

圖10加速度響應(yīng)曲線中，除垂向沖擊響應(yīng)加速度峰值明顯衰減外，響應(yīng)曲線具有最大峰值出現(xiàn)在第二個(gè)波峰上的響應(yīng)特性。主要原因?yàn)榈煽蓧嚎s量較大，故在第一次壓縮時(shí)并沒有達(dá)到碟簧的壓縮極限，而在實(shí)際回壓中，碟簧壓縮量接近相對最大值，所以正向最大峰值出現(xiàn)在第二個(gè)波峰上。

圖10 垂向沖擊及設(shè)備加速度響應(yīng)Fig.10 Vertical impact and acceleration response of equipment

將試驗(yàn)的沖擊數(shù)據(jù)作為激勵(lì)，對隔離器進(jìn)行沖擊仿真，并與試驗(yàn)進(jìn)行對比。同時(shí)，提取沖擊仿真中相同時(shí)間節(jié)點(diǎn)處碟簧的變形量及加速度響應(yīng)，如圖11所示，在垂向加速度最大響應(yīng)位置處，碟簧變形最大，驗(yàn)證了上述分析的正確性。

圖11 垂向沖擊中的碟簧變形量Fig.11 Deformable amount of disc spring in vertical impact

在圖12的水平向沖擊試驗(yàn)及仿真響應(yīng)結(jié)果的對比中發(fā)現(xiàn)，該曲線并沒有體現(xiàn)出與垂向沖擊結(jié)果類似的響應(yīng)特性，響應(yīng)的第二個(gè)正向峰值并不是加速度響應(yīng)的最大值。

圖12 水平向試驗(yàn)及仿真響應(yīng)結(jié)果對比Fig.12 Comparison of the results of horizontal test and simulation response

分析圖13中隔沖桿布置及碟簧變形量得出，在水平向沖擊試驗(yàn)中，由于為傾斜安裝，隔沖桿受力并不完全相同，不同隔沖桿變形量差異較大，所以沒有垂向沖擊響應(yīng)的明顯的峰值響應(yīng)特性。即峰值響應(yīng)結(jié)果特性與結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，安裝角度變化會產(chǎn)生非均勻受載現(xiàn)象，進(jìn)而影響響應(yīng)峰值分布。

(a) 水平向隔沖桿布置圖

為更系統(tǒng)的研究八連桿抗沖擊隔離器在時(shí)域上的抗沖擊性能，逐級施加沖擊載荷，展開多工況沖擊試驗(yàn)，并與仿真的正向加速度響應(yīng)幅值進(jìn)行對比分析，見表1、表2。

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

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

如表1、2所示，垂向及水平向仿真和試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果基本吻合，誤差在5%左右，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。基于表1、2加速度沖擊、響應(yīng)峰值數(shù)據(jù)以及隔離率計(jì)算公式[18]，得出垂向隔離率達(dá)到80%以上，水平向隔離率最高接近90%，這是由于水平向剛度軟特性[19-20]相對明顯，導(dǎo)致其隔沖效果優(yōu)于垂向。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，沖擊載荷越大，隔沖效果愈顯著，說明時(shí)域上，該隔離器的隔沖能力滿足抗沖擊要求。

3.2 頻域分析

一般地，由于實(shí)際沖擊環(huán)境較為復(fù)雜，僅從時(shí)域上進(jìn)行分析，難以給出令人信服的隔沖效能判據(jù)，故需要對隔離器在頻域上展開隔沖性能研究。利用所編制的MATLAB程序，以沖擊試驗(yàn)垂向加速度113.12g、水平向95.59g及試驗(yàn)、仿真響應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制沖擊響應(yīng)對比譜。

從垂向?qū)Ρ葓D譜14中發(fā)現(xiàn)，譜位移約為0.02 m，同樣在臺面最大位移處，表明了此圖譜的準(zhǔn)確性。在低頻段，響應(yīng)譜速度最大值在系統(tǒng)一階固有頻率處，且大于沖擊譜速度值，也就是說設(shè)備的速度響應(yīng)被放大，隨后衰減，在20 Hz之后響應(yīng)譜速度小于沖擊值。在中、高頻段仿真與試驗(yàn)的譜加速度較為接近，在10～20g，即譜加速度有明顯的衰減。

與圖14相似，圖15的水平向?qū)Ρ茸V中，低頻段譜速度最大值接近系統(tǒng)水平向一階固有頻率，隨后衰減，且小于沖擊譜速度值。在譜加速度方面，仿真與試驗(yàn)的譜加速度值比較接近，均在10～20g，衰減明顯。

圖14 垂向沖擊與仿真及試驗(yàn)響應(yīng)譜對比Fig.14 Comparison of vertical impact and simulation and test response spectrum

圖15 水平向沖擊與仿真及試驗(yàn)響應(yīng)譜對比Fig.15 Comparison of horizontal impact and simulation and test response spectrum

綜上，通過分析垂向、水平向沖擊響應(yīng)對比譜，可以得出仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，且譜加速度被大幅度衰減。

4 結(jié) 論

(1) 通過剛度分析，得出隔離器靜剛度滿足預(yù)緊力要求，具有靜態(tài)剛度高、動(dòng)態(tài)剛度低的特點(diǎn)，并利用振動(dòng)試驗(yàn)，得出該結(jié)構(gòu)的垂、水平向固有頻率及隔振范圍滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 在隔沖特性分析中，結(jié)合大量沖擊試驗(yàn)及仿真結(jié)果，得出安裝角度變化會使隔沖桿受載不均勻，進(jìn)而影響響應(yīng)峰值分布。

(3) 通過時(shí)域分析得出，除隔離率較高外，軟特性顯著的水平向隔沖效果更好，可通過改善剛度性能來優(yōu)化隔沖能力。同時(shí)，譜加速度的大幅度衰減，說明在頻域上，該結(jié)構(gòu)也具有顯著的隔沖能力。