带限位器的隔振系统抗冲击性能分析

韩 璐， 孟宪松， 闫 明， 朱 鹤

(沈阳工业大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110870)

带限位器的隔振系统抗冲击性能分析

韩 璐， 孟宪松， 闫 明， 朱 鹤

(沈阳工业大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110870)

在舰艇设备中，通常采用隔振系统来吸收冲击所带来的能量，为了使设备在受到冲击载荷时不发生过大变形，隔振系统常带有限位器。以单自由度单层隔振系统为研究对象，借助于ANSYS软件建立该系统的有限元模型，参考德国联邦国防军舰船建造规范BV 0430/1985标准确定隔振系统的等效冲击载荷谱，并将等效的双半正弦波加速度冲击载荷加载到有限元模型中，应用有限元分析方法分别对有、无限位器的隔振系统在冲击载荷作用下的时域响应特性进行数值仿真计算，计算得出隔振系统在冲击载荷作用下的相对位移和绝对加速度时域响应曲线，进一步分析得出使用限位器可以提高舰艇设备抗冲击性能的结论，可用于提高舰艇设备的可靠性设计。

限位器；抗冲击性能；冲击响应；隔振系统

0 前 言

舰艇在其服役期内有时会不可避免地面临冲击问题，冲击源可分为接触性爆炸(遭受导弹、激光炸弹的直接攻击)和非接触性爆炸(遭受声呐鱼雷爆炸的冲击)以及自身发射武器而产生的反冲击[1]。这些爆炸方式、爆炸距离及爆炸当量不同的冲击，对舰体本身不一定造成毁灭性的破坏，但会使各种舰载设备受到冲击影响，导致其失效，从而使舰艇失去应有的生命力和战斗力[2]。因此，隔振缓冲设计对保证设备的可靠性有着十分重要的意义。

目前，各国海军普遍采用在船体和设备之间添加隔振器的方法，既能降低设备的振动和噪声，又能增强设备的抗冲击能力。设备的冲击隔离，实际上就是将瞬态、强烈的冲击能量先以弹性势能的形式最大限度地储存在其中，然后按隔振系统本身的特性缓慢地将能量释放出来，从而减小传递至设备的冲击载荷，以达到保护设备的目的。

对于一般的船用设备，所能承受的最大冲击加速度都不大。而设计隔振装置时，对其隔振性能均有一定的要求，故设计时都会有较低的固有频率，一般设备均可满足[3-7]，但设备相对船体的相对位移幅值却较大，可能会超过设备与外界联接部件的允许值，甚至会超过隔振元件本身的极限变形范围[4-5]。因此，在隔振装置的设计过程中，限制设备的相对位移幅值显得十分重要，简单地在设备上安装限位器来限制设备的位移是行之有效的方法之一[8-14]。

在实际环境中，隔振系统通常会受到多方向的冲击激励。因此，要求实际使用的限位器可以限制隔振系统多方位的自由度。目前，许多学者采用一种可以转化系统自由度数目的振兴叠加法，即通过振型叠加法可把多自由度系统的冲击问题简化为多个单自由度系统的冲击进行分析计算[6]。本文主要研究具有单自由度的单层冲击隔振系统。首先从非线性动力学角度，建立带有弹性限位器的隔振系统物理模型、力学模型、有限元模型，然后应用ANSYS有限元分析软件的时域非线性瞬态分析方法对有、无限位器的隔振系统冲击响应特性进行计算，从而分析讨论存在限位器对舰艇隔振系统冲击响应的影响。

1 带限位隔振器的工作原理

1.1 物理模型

带限位器的隔振系统物理模型如图1所示。隔振器上端与设备连接，下端固定在甲板或基座上，为防止冲击过程中隔振器的弹性元件产生过大的弹性变形，使用限位器。限位器分为刚性限位器和弹性限位器。限制船舶设备在海面风浪中摇摆时而产生的位移，可用刚性限位器，然而在承受冲击作用时，限位器一旦损坏，将会带给设备极大地二次冲击。因此，本设计中采用弹性限位器，以避免在减小位移时产生过大的二次冲击[10]。图1中，M代表设备的质量；K1和C1分别代表隔振器的刚度和阻尼；GAP代表单侧限位间隙；K2和C2分别代表限位器的刚度和阻尼。工作间隙和刚度是限位器的主要参数，衡量其抗冲击性能的参数是在额定冲击载荷下设备的响应幅值：相对位移幅值(设备相对于基座的相对位移)和绝对加速度幅值(设备的绝对加速度)[11]。

图1 带限位器的隔振系统物理模型

1.2 力学模型

隔振器的弹性元件变形较小时，限位器不发生作用。限位器对隔振器的拉伸方向和压缩方向都有约束作用，与设备的上表面和下表面分别有一定间隙。当隔振器的变形量大于限位器单侧间隙时，限位器压缩吸能，从而限制设备产生过大位移。对带限位器隔振系统进行冲击响应分析及计算时，应考虑冲击过程中支承刚度发生突变的情况，即应考虑系统是非线性的情况。带限位器隔振系统的力学模型如图2所示。图中：线段|OD3|和|OD2|分别代表上、下限位间隙；Slope 3和Slope 2分别代表隔离器的拉伸刚度和压缩刚度；Slope 4和Slope 1分别代表上、下限位器发挥作用时系统整体的刚度。在一般情况下：|OD3| = |OD2| =GAP，Slope 3 = Slope 2 =K1，Slope 1 = Slope 4 =K1+K2。

图2 带限位器隔振系统的力学模型

1.3 有限元模型

有限元方法是解决工程和科学计算的一种高效、常用的数值计算方法，由此衍生出大量的商用有限元软件，如：ANSYS，ABAQUS，ADINA，NASTRAN等。大型商用有限元软件使用简单、稳定可靠，因此可使用商用有限元软件解决带限位器隔振系统的冲击计算问题。

带限位器隔振系统最大的特点是存在间隙问题，如果只考虑用非线性弹簧来模拟图2中所述的力学模型，则没有考虑到隔离器阻尼与限位器阻尼在实际问题中不一致的情况。能够实现带限位隔振器计算的方案有很多种。下面介绍一种简单实用的计算方案。图3中，实心圆点表示节点，大写字母表示编号，实线表示单元，数字表示单元编号，虚线表示间隙，箭头表示冲击载荷。借助间隙单元的有限元模型如图3所示：1为线性弹簧单元，代表隔离器的刚度和阻尼；2和3为带间隙的弹簧单元，分别代表上、下限位器的刚度、阻尼和间隙；B点设置质量单元，代表被隔离设备的质量。在该有限元模型中，可设置隔离器的刚度和阻尼，上下限位器的刚度、阻尼和间隙等8个参数，且这8个参数相互独立，给各种计算带来方便。

图3 借助间隙单元的有限元模型

2 系统性能参数及冲击条件

本设计采用6JX-400隔离器，其性能参数如表1所示。取设备重0.4 t，隔离器刚度为1 010 N/mm，设备与隔离器组成的弹簧振子系统阻尼比为6%。有限位器时，取限位器单侧限位间隙为15 mm，限位器与设备组成的弹簧振子系统阻尼比为10%，取刚度比K限/K隔等于1。

表1 6JX-400隔离器性能参数

为分析限位器对隔振系统冲击响应的影响，考察垂直方向的冲击响应。在有限元模型中，在垂直方向设置限位器，通过弹簧阻尼单元来模拟隔振器的隔振特性，加载垂直方向的加速度冲击载荷。

设系统遭受正波幅值125.663 7g，负波幅值-31.415 9g，正波脉宽5 ms，负波脉宽-20 ms的正负双波加速度冲击。加载波形如图4所示。

图4 加载波形

3 冲击响应计算及分析

隔离器和限位器参数如上所述，对有、无限位器的单自由度单层隔振装置施加图4所示的冲击载荷，对于限位器的模拟采用间隙单元，并应用时域的非线性瞬态方法进行计算。图5和图6分别为施加冲击后计算得出的有限位器和无限位器时设备的相对位移响应和绝对加速度响应。通过计算可得到，无限位器时，设备的相对位移幅值为40.499 4 mm，绝对加速度幅值为10.280 3g；有限位器时，设备的相对位移幅值为37.270 3 mm，相比无限位器时减少3.229 1 mm，绝对加速度幅值为15.756 4g，相比无限位器时增大5.476 1g。这说明系统使用限位器可以有效地限制设备的相对位移响应，但却对设备的绝对加速度响应有放大作用。从图5可知，在隔离器的位移响应未达到限位间隙之前，两隔离器的响应完全一致，设备添加限位器，相对位移明显下降。当设备接触到限位器的瞬间，从图6可以看出，加速度产生突变(增大)，当离开限位器的同时也产生突变(减小)。此外，频繁碰撞限位器使得带限位隔离系统的响应频率明显加快，限位器不发生作用后，两者的响应频率基本一致。由于系统存在阻尼，故系统能量将不断转化为内能并逐渐耗散，因此不管在有限位器还是没有限位器的情况下，设备响应均为近似呈逐渐衰减的正弦波。

图5 有、无限位器对位移响应的影响

图6 有、无限位器对加速度响应的影响

4 结 论

探讨在增加限位器之后的隔振系统中隔冲性能受限位器的影响。加载的冲击载荷谱是根据德国联邦国防军舰船建造的相关标准确定，然后运用ANSYS软件对隔振系统进行抗冲击时域模拟计算，对比分析在有、无限位器的不同状态下隔振系统的冲击响应特性，分析计算得出以下结论：

(1) 限位器主要用于改善隔振系统的抗冲击性能。限位器可以有效地限制隔振系统的相对位移响应幅值，但需注意的是，这是以增大隔振系统绝对加速度响应幅值为代价的。因此，限位器设计原则应该是：在设备允许相对位移范围内，尽可能减小设备加速度响应。

(2) 本文采用的是限位器与隔离器均存在阻尼的有限元简化模型，对于带限位器的隔振系统冲击响应研究具有重要作用。

[ 1 ] 王晓伟. 结构参数对典型隔振缓冲系统性能的影响分析与冲击谱软件研制[D].西安:西安电子科技大学，2010.

[ 2 ] SCAVUZZO R J. Naval shock analysis and design(Shock and vibration monograph series) [M].Falls Church: The shock and vibration information analysis center,2000.

[ 3 ] 赵存生,唐钊,唐斯密. 刚度分段线性系统抗冲击等效线性化研究[C]//全国声学设计与噪声振动控制工程暨配套装备学术会议，2010.

[ 4 ] KAO B G, RAZGUNAS L. On the determination of strain energy functions of rubbers[C]//International Conference on Vehicle Structural Mechanics & Exposition, 1986.

[ 5 ] BLATZ P J, KO W L. Application of finite elastic theory to the deformation of rubbery materials[J]. Journal of Rheology, 1962,6(1): 223-252.

[][]

[ 6 ] 唐思密,朱石坚,楼京俊. 半主动干摩擦阻尼器在隔振系统中的抗冲击优化设计研究[J]. 振动与冲击,2012,31(1):11-15.

[ 7 ] 赵应龙,何琳,黄映云,等. 限位器对隔振系统抗冲击性能的影响[J]. 振动与冲击,2005,24(2):71-76.

[ 8 ] CUNNIFF P F, COLLINS R P. Structural interaction effects on shock spectra[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1968, 43(2).

[ 9 ] BIALEK J M. Nonliner continum mechanics for finite elemnet analysis[M]. Cambridge University Press,2008,7(3):106.

[10] 单树军, 何琳. 速度阶跃法计算冲击响应幅值的误差原因和适用条件研究[J]. 振动与冲击,2007,26(1):91-94.

[11] 许庆新, 沈荣瀛.带限位器的隔振系统冲击动力学仿真[C]//全国振动理论及应用学术会议,2003.

[12] 汪玉, 胡刚义,华宏星，等. 带限位器的船舶设备非线性冲击响应分析[J]. 中国造船,2003,44(2):39-44.

[13] 林道福，余永丰，华宏星. 带限位器的浮筏隔振系统的冲击响应分析[J]. 噪声与振动控制,2004，24(1)：6-9.

[14] 翁雪涛,朱石坚,何琳.限位器抗冲击计算[J].中国造船,2002(2):85-89.

Shock Resistance Analysis of Vibration Isolation System with Limiter

HAN Lu, MENG Xiansong, YAN Ming, ZHU He

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, Liaoning, China)

In warship equipment, vibration isolation system can absorb most of the shock energy. The limrters are usually necessary in order to restrict the largest deformation of the equipment in the shock response. The finite element model of the single degree of freedom vibration isolation system is established by ANSYS software. Its equivalent shock load spectrum is confirmed in virtue of German Federation Wehrmacht vessel construction standard BV 0430/1985. This load spectrum is converted into equivalent double half-sine wave acceleration shock load and input into the finite element model. The time-domain response characteristics of the vibration isolation system with and without limiters are numerically simulated under the shock load respectively. The corresponding relative displacement and absolute acceleration response curves of the vibration isolation system are obtained. Further analysis shows that the use of limiter can improve the conclusion of warship equipment shock resistance and can be used to improve the reliability of ship equipment design.

limiter; shock resistance performance; shock response; viberation isolation system

中国博士后基金(编号：2014M562622)；航空科学基金(编号：201404Q5001)

韩 璐(1993-)，女，硕士研究生，主要研究方向为舰艇抗冲击设计

1000-3878(2017)04-0005-04

O241；TH873

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