鱼雷振动试验系统结构传递特性影响因素分析

王红瑞, 曹小娟, 尹韶平, 张志民, 单志雄

鱼雷振动试验系统结构传递特性影响因素分析

王红瑞, 曹小娟, 尹韶平, 张志民, 单志雄

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

鱼雷振动试验系统结构复杂, 涉及螺栓连接、非线性材料、夹具等结构。试验系统传递特性优劣对振动环境条件模拟的置信度起着决定性的作用, 因此, 构建能够准确传递振动试验条件的试验系统是开展结构传递特性试验和仿真的基础。文中针对舱段振动试验系统, 基于不同边界条件设置, 开展随机载荷激励下系统的传递特性有限元仿真分析, 最终确定了影响试验系统结构传递特性的因素。并得出以下结论: 1) 螺栓预紧力、夹具支撑间距、中间层材料属性是影响系统传递特性的主要因素; 2) 在一定范围内, 随着螺栓预紧力增加, 系统传递特性呈递增趋势, 当拧紧力矩大于40 N·m时系统传递特性趋于稳定; 3) 长细比为2~4左右的鱼雷舱段, 支撑比取50%~66.67%时系统传递特性更好; 4) 中间层取厚度小、摩擦系数大、阻尼比相对较大的材料时, 系统共振频率更高, 传递特性更好。

鱼雷; 舱段; 振动试验; 传递特性; 影响因素

0 引言

随着现代鱼雷性能指标的逐渐提高, 使用平台逐步增多, 力学环境更加复杂, 要求不断优化鱼雷结构动态特性, 在满足功能和性能要求的同时, 具有良好的环境适应能力。振动试验作为评价鱼雷力学环境适应能力的最主要手段之一[1], 因其能够较为真实地模拟振动环境等优点, 在结构的性能考核、强度检验和可靠性试验中得到了广泛的应用。鱼雷振动试验基于振动试验系统展开, 该系统主要是指位于振动能量传递路径上的各机械结构的组合体(不包括振动台和测试设备)，其结构复杂, 涉及螺栓连接结构、中间层非金属材料、夹具等结构。振动试验的可信度取决于试验系统能否将实际振动环境真实地作用于试验件上, 既不存在过试验, 也不存在欠试验[2]。因此构建能够准确传递振动条件的振动试验系统是开展振动试验和结构传递特性分析的前提。

目前, 结构振动传递特性分析的主要方法是: 1) 基于结构的线性动力学微分方程(或有限元模型)求解动态参数; 2) 通过正弦扫频试验测量结构的传递函数和动态响应[3-4]。

然而, 鱼雷经受的大部分力学环境是随机振动, 若仅采用正弦扫频试验分析鱼雷的结构动态特性, 无法获得全面的结构动态响应特性。针对细长结构体, 采用随机振动仿真分析[5-10], 不仅可以提前预示试验件的振动响应情况, 获得振动台试验中无法测到部位的响应情况, 而且能更加真实地模拟产品在振动环境条件下的动态特性。

因此, 文中基于随机振动分析, 开展鱼雷振动试验系统传递特性研究, 确定影响其传递特性的因素及其相应的取值范围。

1 基于随机振动的结构传递特性理论

其中

系统对任意激励的响应为

将式(4)代入式(1)得

利用下列关系

将式(6)代入式(5)得

可得

将式(11)代入式(7)可得

由此得出了试验系统振动传递率的公式

式中

将式(14)、式(15)代入式(13)可得

式(17)即为由激励均方根值与响应均方根值表示的试验系统传递率。文中基于上述随机振动传递理论开展结构传递特性分析。

2 系统传递特性影响因素仿真分析

2.1 系统构成

工程中考虑到逐级释放设计风险, 逐步考核结构的力学环境适应性, 根据试验对象的不同, 鱼雷振动试验可分为: 组/部件级振动试验、舱段级振动试验和全雷级振动试验。文中基于舱段级振动试验系统开展结构传递特性影响因素分析。

图1为典型舱段振动试验系统, 由试验件、夹具及紧固件等组成, 振动试验前, 需要明确螺栓预紧力取值、夹具支撑点间距选取以及夹具与试件连接处中间层材料选择。文中基于有限元随机振动仿真分析系统结构振动传递特性, 确定螺栓预紧力、支撑间距、中间层材料属性对试验系统传递特性的影响程度。

图1 舱段试验系统结构图

2.2 螺栓预紧力对系统传递特性影响

以图1所示的双支撑方式振动试验系统模型为研究对象, 开展螺栓预紧力对振动试验系统传递特性的影响分析。螺栓处施加预紧力(10～160 N·m), 利用Workbench开展基于预应力的结构模态分析, 不同预紧力下模态仿真结果如图2所示。

图2 不同螺栓预紧力下系统模态频率

由图2可以看出, 随着螺栓拧紧力矩不断增大, 系统模态频率呈递增趋势。当拧紧力矩大于40 N·m时, 不同预紧力下系统模态频率变化趋于稳定。基于模态分析结果, 在10~2 000 Hz范围内, 对系统固定约束端施加0.02 g2/Hz的平直功率谱密度进行随机振动分析, 不同拧紧力矩下系统振动传递特性如图3所示。

图3 不同螺栓预紧力下系统振动传递率

从图中可以看出, 随着螺栓拧紧力矩的增大, 系统传递特性呈递减趋势, 当拧紧力矩小于40 N·m时, 系统传递特性不稳定; 当拧紧力矩大于40 N·m时, 系统前部、中部传递特性均趋于稳定, 系统传递特性较好。

综上所述, 对于螺栓预紧的振动试验系统, 在螺栓承载能力范围内, 随着螺栓预紧力的不断增大,系统刚度逐渐提高, 模态频率不断增大，传递特性趋于稳定。因此, 压紧试验件的螺栓拧紧力矩是影响系统传递特性的一个主因。

2.3 夹具支撑间距对系统传递特性影响

图4 夹具支撑位置简图

由图5和图6可看出, 当舱段试验系统支撑比为0.5~0.67时,系统前、中、后部共振峰幅值、传递率均取最小值, 此时系统的频响特性最好。

图5 系统响应共振峰幅值随支撑比变化曲线

综上所述, 夹具支撑位置是影响试验系统传递特性的又一关键因素。对于长细比为2~4左右的鱼雷舱段, 振动试验时夹具支撑间距选取支撑比为(1/2~2/3)较为合理, 此时系统传递放大系数≤3, 系统传递特性最好。

图6 系统振动传递率随支撑比变化曲线

2.4 中间层材料对系统传递特性影响

振动试验系统中夹具与试件连接部位通常设计有非金属中间层, 其主要作用是防止装夹时损伤试件, 同时提供较大的摩擦系数, 防止试件振动时脱离。试验或仿真时, 中间层材料如何选择, 增加中间层后系统的传递特性, 均没有参考标准, 因此, 开展中间层材料对系统传递特性影响分析具有重要意义。如图7所示试验系统，中间层为弹性模量小、阻尼系数大、摩擦力大的材料, 当中间层为阻尼材料时, 系统可看作以夹具与试验件装夹面为系统基础, 中间层为隔振器的隔振系统, 不考虑夹具特性对试验系统的影响。当夹具向中间层施加简谐激励时, 试验系统可等效为图8所示的振动隔离系统。

图7 中间层+试件系统简图

图8 隔振系统理论模型

式中:为系统质量(忽略中间层质量);为中间层材料阻尼;为中间层刚度。

传递率为

图9 系统振动传递率随频率比变化曲线

基于图8所示系统模型, 在0～2 000 Hz频率范围内, 向系统约束施加0.02 g2/Hz的平直功率谱密度, 分析中间层的材料参数、厚度对试验系统传递特性的影响。选用2种不同材料、不同厚度的中间层时, 分析厚度分别为1, 2, 3, 20 mm时, 系统的响应特性如图10所示。

图10 系统振动响应随中间层厚度变化曲线

由图10可看出, 增加中间层厚度, 系统的固有频率逐渐降低，原因是中间阻尼层黏弹性材料的弹性模量较低时, 随着阻尼层厚度的增加, 剪切变形引起的阻尼结构弯曲刚度下降, 整个结构变“软”, 所以固有频率降低[13-14]。当中间层厚度取相同值时, 中间层材料阻尼比大的系统响应峰值比阻尼比小的低, 且峰值频率向高频方向移动。因此, 通过在夹具与试件间增加较小厚度的中间层可使系统共振频率向高频区移动, 能有效减小夹具响应放大对系统的损伤。试验时, 中间层应选择阻尼比相对较大, 同时摩擦系数较大的材料, 在确保试验件装夹可靠的前提下, 中间层厚度越小越好。

工程中, 振动环境试验时常用的中间层材料主要有毛毡、硬橡胶等, 2种材料的参数如表1所示。

表1 常用中间层材料性能参数

由表1可以看出, 硬橡胶弹性模量、阻尼比、摩擦系数均比毛毡大。综合上述理论及仿真分析结果, 在振动试验时, 中间层应选用厚度为1~3 mm左右的硬橡胶更为合理。因此, 振动试验中, 中间层材料是影响系统传递特性的又一因素。

3 结论

文中基于舱段+夹具试验系统, 运用有限元仿真方法开展不同边界条件下系统在随机载荷激励下的传递特性分析, 最终确定了影响系统传递特性的因素。从文中分析得到以下结论:

1) 螺栓预紧力、夹具支撑间距、中间层材料属性是影响系统传递特性的主要因素;

2) 在一定范围内, 随着螺栓预紧力增加, 系统传递特性呈递增趋势, 拧紧力矩大于40 N·m即可使系统传递特性稳定;

3) 对于长细比为2~4左右的鱼雷舱段, 支撑比为(50%~66.67%)时系统传递特性更好;

4) 中间层取厚度小、摩擦系数大、阻尼比相对较大的材料时, 系统共振频率更高, 传递特性更好。

[1] 许江文. 影响振动环境试验的若干关键技术要点解析[J]. 环境试验, 2015(3): 10-13.Xu Jiang-wen. Analysis on Some Key Technologies of Impact Vibration Environment Test[J]. Environmental Testing, 2015(3): 10-13.

[2] 王涌泉, 雷平森, 冯睿. 力学环境试验技术[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2003.

[3] 郑勇斌, 林丽．弹体振动传递函数测试及其数据应用[J]. 现代防御技术, 2009, 37(4): 50-54．Zheng Yong-bin, Lin Li. Transfer Function Test of Missile Vibration and Data Application[J]. Modern Defence Technology, 2009, 37(4): 50-54．

[4] 王亚斌, 刘明杰, 谭惠民．弹引系统传递函数系统辨识[J]. 机械工程学报, 2008, 44(3): 200-204．Wang Ya-bin, Liu Ming-jie, Tan Hui-min. System Identification of the Bullet-fuze System Transfer Function[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(3): 200-204．

[5] 张琳, 邓长华, 谭永华, 等. 随机振动试验仿真技术研究[J]. 机械强度, 2011, 33(6): 927-931.Zhang Lin, Deng Chang-hua, Tan Yong-hua, et al. Research on the Simulation of Random Virbation Testing[J]. Journal of Mechanical Strength, 2011, 33(6): 927-931.

[6] 陈颖, 田光明, 钟继根. 典型细长体结构的两点激励振动试验设计[J]. 航天器环境工程, 2013, 30(1): 68-71.Chen Ying, Tian Guang-ming, Zhong Ji-gen. Dual-exciter Vibration Test Design for a Typical Slender Structure[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(1): 68-71.

[7] 马兴瑞, 于登云, 韩增尧, 等. 星箭力学环境分析与试验技术研究进展[J]. 字航学报, 2006, 27(3): 323-331.Ma Xing-rui, Yu Deng-yun, Han Zeng-yao, et al. Research Evolution on the Satellite-Rocket Mechanical Environment Analysis & Test Technology[J]. Journal of Astronautics, 2006, 27(3): 323-331.

[8] 刘青林, 陈颖, 田光明, 等. 导弹飞行振动环境地面模拟试验方法[J]. 装备环境工程, 2016, 13(5): 68-75.Liu Qing-lin, Chen Ying, Tian Guang-ming, et al. Laboratory Test Methods of Vibration Environment for the Flighting Missiles[J]. Equipment Environment Engineering, 2016, 13(5): 68-75.

[9] 苏华昌, 丁富海, 吴家驹. 战术导弹多台并激振动试验技术研究[J]. 强度与环境, 2016, 43(3): 39-46.Su Hua-chang, Ding Fu-hai, Wu Jia-ju. Vibration Test Technology Study of Tactical Missile with Multi-shaker Synchronization[J]. Structure & Environment Engineering, 2016, 43(3): 39-46.

[10] 王磊, 王飞, 王海东, 等．细长型飞行器双台随机振动试验虚拟试验技术研究[J]. 上海航天, 2014, 31(1): 56-62．Wang Lei, Wang Fei, Wang Hai-dong, et al. Research on Virtual Vibration Test of Dual-Exciter Random Vibration Test for Slender Aerocraft[J]. Aerospace Shanghai, 2014, 31(1): 56-62．

[11] Singiresu S Rao. 机械振动[M]．第5版. 北京: 清华大学出版社, 2016.

[12] 刘鸿文. 材料力学[M]．第5版. 北京: 高等教育出版社, 2011.

[13] 舒歌群, 赵文龙, 梁兴雨, 等. 约束阻尼结构的振动分析及结构参数优化研究[J]. 西安交通大学学报, 2014, 48(3): 108-114. Shu Ge-qun, Zhao Wen-long, Liang Xing-yu, et al. Vibration Analysis and Optimization of Composite Structure with Constrained-Layer Damping Treatment[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(3): 108-114.

[14] 黄微波, 李华阳, 张志超, 等. 约束阻尼结构板振动性能实验研究[J]. 科学技术与工程, 2018, 18(2): 199-203.Huang Wei-bo, Li Hua-yang, Zhang Zhi-chao, et al. Experimental Study on Vibration Performance of Constrained Damped Structural Plates[J]. Science Technology and Engineering, 2018, 18(2): 199-203.

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

王红瑞, 曹小娟, 尹韶平, 等. 鱼雷振动试验系统结构传递特性影响因素分析[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(5): 574-579.

2019-03-01;

2019-04-06.

王红瑞(1985-), 男, 硕士, 工程师, 研究方向为结构与振动噪声控制.

(责任编辑: 许 妍)