泡沫铝冲击吸能器被动冲击隔离技术研究＊

黄 炼，张 锦，查长松，陈宪刚，王卉隽

（1.海军驻芜湖地区军事代表室，安徽 芜湖 241000；2.中国人民解放军镇江船艇学院，江苏 镇江 212003；3.芜湖新联造船有限公司，安徽 芜湖 241000）

在隔振系统中引入限位装置对设备进行冲击防护已有许多研究［1－6］。目前限位装置主要有刚性限位器和弹性限位器，当刚性限位器承受冲击作用时，如果限位器不破坏，它将对设备造成极大的二次冲击。弹性限位器中储存的势能最终要释放出来，转换成设备的动能，引起设备加速度响应的急剧增加，减弱隔振器的隔冲效果。

本文中，在总结前人研究的基础上，在隔振系统中引入新的限位装沫铝冲击吸能器，并进行探讨，从理论和实验方面研究一种基于泡沫铝冲击吸能器的被动冲击隔离技术。

1 理论分析

图1 带吸能器的单层隔振系统模型示意图Fig.1Model of single stage vibration isolating system with energy absorber

图2 泡沫铝冲击吸能器结构简图Fig.2Sketch map of Al foam energy absorber

图1为由设备、隔振器和泡沫铝冲击吸能器组成的隔冲系统物理模型。质量为m的设备由刚度为k的隔振器支撑，泡沫铝冲击吸能器的工作间隙是d0。图2为泡沫铝冲击吸能器结构图。

如图1所示，假定以冲击作用为基础的速度阶跃为v1，在没有泡沫铝冲击吸能器时，设备的最大响应为

式中：ym0为设备在无泡沫铝冲击吸能器下的最大位移，am0为设备的最大加速度值。在有泡沫铝冲击吸能器的情况下，通常d0＜ym0（否则泡沫铝冲击吸能器不起作用），视模型为理想模型，那么在整个冲击作用的响应过程中能量守恒，冲击载荷输入系统的能量为

因此有泡沫铝冲击吸能器且其起作用时有如下关系

式中：w＝Favg（ymax－d0），其中Favg为泡沫铝冲击吸能器的平均压溃力，由于隔振器的弹性力相对泡沫铝冲击吸能器的压溃力是一个小量，忽略隔振器对冲击速率的影响。ymax为设备的最大位移，w为泡沫铝冲击吸能器在压溃距离为ymax－d0时吸收的能量。由式（3）可得

根据文献［7］，平均压溃力Favg的理论公式如下

式中：F（s）＝2π［sarccoss－ （1 －s）arccos （1 －s）＋ （1－s2）1／2］；D、n、p为应变率敏感系数；为泡沫铝在准静态压缩时的应变率；为泡沫铝在准静态压缩时的屈服应力；σys为泡沫铝基体的屈服应力；ρ′为泡沫铝的相对密度（相对基体材料）；σ0为圆管屈服应力；r为圆管内径；t为圆管壁厚；L为泡沫铝冲击吸能器高度；s为泡沫铝冲击吸能器压溃偏心率；v0为设备冲击泡沫铝冲击吸能器的速率。

同时，由能量守恒关系式

计算得

由设备的受力关系可得

式中：F为设备在相对位移为y时泡沫铝冲击吸能器的压溃反力，a为设备的瞬时加速度。

忽略冲击速率因子的影响，根据文献［8］，泡沫铝冲击吸能器轴向冲击反力的最大值由下式计算

式中：κD为量纲一常数，AE0为圆管冲击压溃力有效系数，AEf为填充泡沫铝的冲击压溃力有效系数，Cmax为相互作用最大量纲一常数。

考虑质量200～500kg的电子设备，由于电子设备外接管线的限制，允许位移值比较小。如果设备能容忍隔振器产生的弹性力为几千牛，则泡沫铝冲击吸能器的最大压溃力为几十上百千牛。

式（8）中ky相对于Fmax是一个小量，所以近似可得

即

2 冲击实验

水下爆炸冲击环境非常复杂，上海交通大学研发出一套新的舰载设备冲击实验系统，能在实验室模拟水下爆炸冲击环境对舰载设备进行冲击实验，本文的实验在该实验平台上进行。

2.1 实验系统

实验时，4只钢丝绳隔振器（HGGS－100G型）均匀布置于冲击试验机上。负载是800mm×800mm×80mm的钢板，布置一只泡沫铝冲击吸能器在台面中心。负载质量为400kg，其下方安装泡沫铝冲击吸能器，上方安装限位装置。泡沫铝冲击吸能器工作间隙用调节钢板进行调节，d0＝5.5mm。具体实验如图3所示。

2.2 实验材料

薄壁圆管材料分别为6061铝合金和20钢。圆管的平均壁厚t1＝1.0mm、t2＝1.5mm，填充泡沫铝的密度ρ1＝0.27g／cm3、ρ2＝0.37g／cm3、ρ3＝0.51g／cm3，吸能器高度L1＝100mm、L2＝98mm、L3＝96mm、L4＝94mm、L5＝92mm、L6＝90mm。吸能器型号中A代表铝管、S代表钢管，从左向右第1位数字1、2分别表示圆管壁厚为t1、t2，第2位数字1、2、3分别代表填充泡沫铝的密度为ρ1、ρ2、ρ3，第3位数字1～6分别代表泡沫铝高度为L1～L6。例如吸能器型号A231，代表泡沫铝冲击吸能器的圆管材质为6061铝合金，圆管平均壁厚为t2，填充泡沫铝的密度为ρ3，吸能器高度为L1。

2.3 实验结果及分析

图4是为检验试验机的重复性而测得的相同条件下试验机的冲击输入波形，可以看出，试验机的重复性非常好。

图3 冲击实验装置图Fig.3Equipments of shock test

图4 试验机同一输入条件下的输入波形Fig.4The same input of the test－bed

图5～6为实验所得的加速度响应图。从图5可以看出，在泡沫铝冲击吸能器工作间隙增加到d0＝11.5mm时，设备加速度响应由有二次冲击变成了无二次冲击。对比图5～6中A212两种激励情况，设备有一个最大的响应特点就是小的激励下设备存在二次冲击，大的激励下无二次冲击。同样，在带刚性限位器或弹性限位器的隔振系统中，设备加速度响应也存在二次冲击［2］。综上所述，泡沫铝冲击吸能器的应用能有效消除设备的二次冲击，这是带其他限位装置抗冲击系统所不具有的性能，具有重要的应用价值。

图5 安装同型号吸能器时设备在不同工作间隙下的加速度响应Fig.5Acceleration response of equipments

图6 不同情况下设备的加速度响应Fig.6Acceleration response of equipments

3 理论与实验结果比较

利用速度阶跃法计算冲击系统响应的条件为：冲击的持续时间远小于系统的固有周期［9］。本文中的冲击系统固有周期为182ms，各输入激励脉宽在2.5ms内，可见，冲击系统固有周期是冲击输入激励持续时间的73倍，因此符合速度阶跃法计算条件。

实验中各组实验参数如表1所示，表中v1表示台面速度阶跃值。根据本文中的理论计算方法，计算出各组实验的理论最大响应，得出理论值与实验值对比如表2所示。

表1 吸能器型号的实验参数Table 1Experimental results of energy absorber

表2 理论计算值与实验值对比Table 2Theoretical results vs experimental results

由表2可看出，位移响应误差范围在－32.3%～－19.3%，加速度响应范围在－3.8%～50.8%，在设备的冲击防护设计中，加速度－时间曲线的偏差可在－25%～＋50%范围［10］，因此，本文的计算是合理的。

4 结 论

（1）泡沫铝冲击吸能器的应用能有效消除设备的二次冲击，这是带泡沫铝冲击吸能器的隔振系统所具有的特性；

（2）泡沫铝冲击吸能器工作间隙需根据具体需要进行优化设计，才能有效避免设备受到二次冲击；

（3）实验证明，本文的理论推导可用于泡沫铝冲击吸能器的应用设计；

（4）泡沫铝冲击吸能器应用于现实中是可行的。

由于实际条件的限制，本文的研究还具有一定的局限性，例如理论计算中未能考虑冲击速度对最大加速度的影响，计算出的最大加速度是只与泡沫铝冲击吸能器的参数有关的定值等。

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