带限位器单层隔振系统冲击响应研究

韩 璐，孟宪松，闫 明，朱 鹤

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870）

带限位器单层隔振系统冲击响应研究

韩 璐，孟宪松，闫 明，朱 鹤

（沈阳工业大学 机械工程学院，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，为了限制设备受到冲击载荷时发生过大变形，隔振系统通常带有限位器。以单自由度单层隔振系统为研究对象，采用时域有限元分析方法，分别对带有不同阻尼限位器的隔振装置受到水下爆炸载荷冲击下的响应进行数值仿真研究，计算得出隔振系统在冲击载荷作用下的相对位移响应和绝对加速度响应，分析了限位器参数对冲击响应的影响，旨在为舰艇设备抗冲击性能设计及性能评估提供参考。

振动与波；限位器；抗冲击性能；水下爆炸；冲击响应

舰艇遭受水下非接触爆炸时的抗冲击性能是舰艇平台系统极其重要的战术技术性能。无论是主动力装置等振源机械还是精密电子仪器等设备，都需要考虑抗冲击问题[1]。舰艇按兵器在不同介质中爆炸可分为空中爆炸和水中爆炸，由于水为密实介质，相同当量装药兵器在水中爆炸的破坏威力远远大于空中爆炸，因此各国对舰艇抗水下爆炸研究都非常重视[2]。

对于舰载设备来说，弹性安装方式不仅要求有良好的隔振性能，而且要兼顾抗冲击的要求[3–4]。目前，各国海军普遍采用在基础和设备之间添加隔离器，通过隔离器将瞬态、强烈地冲击能力先以弹性势能形式最大限度地储存在其中，然后按隔离器系统本身的特性缓慢地释放能量，从而减小传递至设备的载荷，以达到保护设备的目的[5]。

由于隔振装置对隔振性能的要求，设计时其固有频率一般都较低，因此在额定的冲击作用下，设备所承受的冲击加速度幅值都不大，一般的船用设备都能满足要求[6]，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，甚至会超过了隔振元件本身的极限变形范围[7–8]，因此在隔振装置的设计过程中，如何限制设备的相对位移幅值显得非常重要，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[9–12]。

限位器一方面是为保护隔振器中的弹性元件，另一方面是为保护如挠性管接头、弹性联轴器等挠性连接元器件[13–14]。然而一旦限位器发挥作用，设备受到额外的冲击，如果限位器设计不当，可能造成设备冲击破坏，也可能无法发挥限位作用。因此，对限位器结构和参数进行优化设计研究具有重要的意义。

本文主要针对单自由度单层冲击隔振系统进行研究。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和有限元模型，接着应用有限元分析软件Ansys，采用时域的非线性瞬态分析方法对带不同阻尼的限位器隔振系统冲击响应特性进行分析计算，从而讨论限位器参数对舰艇隔振系统的冲击响应的影响。

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。刚性限位器只能用于限制船舶在大风浪中摇摆时设备的位移，承受冲击作用时，如果限位器不破坏，将会造成极大的二次冲击。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[13]。

图1 带限位的隔离器物理模型

图1中，M代表设备的质量；K隔和C隔分别代表隔振器的刚度和阻尼；K限和C限分别代表限位器的刚度和阻尼，Gap代表单侧限位间隙。限位器的主要参数为限位间隙、刚度和阻尼，衡量其抗冲击性能的参数是在额定冲击载荷下的设备最大响应：最大相对位移和最大绝对加速度。

1.2 有限元模型

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所述的模型则无法考虑到隔离器阻尼与限位器阻尼在实际问题不一致的情况[15–16]。能够实现带限位隔振器计算的方案有很多种。在传统的抗冲击设计中，普遍考虑分析刚度对系统抗冲击性能的影响，忽略阻尼对系统的影响，即使考虑了阻尼也是将其做大量简化，由于实际冲击隔离器往往伴随着大位移，线性假设已不能满足计算的精度要求[17]。下面介绍一种简单实用的计算方案。图2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2所示：1为线性弹簧单元，代表隔离器的刚度和阻尼；2、3为带间隙的弹簧单元，分别代表上、下限位器的刚度和阻尼和间隙。B点设置质量单元，代表被隔离设备的质量。

图2 借助间隙单元的有限元模型

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8个参数，且这8个参数相互独立给各种计算带来方便。

1.3 工作原理

隔离器的弹性元件变形较小时，限位器不发生作用，当隔离器的变形量大于限位单侧间隙时，限位器压缩吸能，从而限制设备产生过大位移。带限位隔离器系统的力学模型如图3所示。

图3 带限位隔离器系统的力学模型

图中：线段|OD3|，|OD2|分别代表上、下限位间隙；Slope3和Slope2分别代表隔离器的拉伸刚度和压缩刚度；Slope4和Slope1分别代表上、下限位器发挥作用时系统整体的刚度。一般情况下：|OD3|=|OD2|=Gap，Slope3=Slope2=K隔，Slope1=Slope4=K隔+K限。

2 隔离器性能参数及冲击参数

设计中采用6JX-400橡胶隔离器，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%。

为了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，于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，冲击环境为冲击隔离系统安装基础处所加载的垂向冲击输入。本文所讨论的冲击环境特指来自水雷、鱼雷等水下非接触爆炸。采用的波形为德国BV043-1985冲击标准推荐的正负双半正弦波。

基于实船爆炸试验时的实测数据，本文所述的系统遭受了正波幅值125.663 7 g，负波幅值31.415 9 g，正波脉宽5 ms，负波脉宽20 ms的正负双波的加速度冲击，波形如图4所示。

图4 加载波形

3 冲击响应计算及分析

3.1 系统有无限位器对响应的影响分析

根据上述确定的隔离器参数，若系统存在限位器时，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α=K限/K隔等于4。系统的相对位移响应和绝对加速度响应分别如图5和图6所示。

图5 有无限位器对位移响应的影响

从图5中可以看出，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，对于添加限位器的设备，相对位移明显下降。从图6中可以看出，当设备接触到限位器的瞬间，加速度突然增大，当离开隔离器的时候突然减小。

图6 有无限位器对加速度响应的影响

由于系统存在阻尼，故系统能量将不断耗散，所以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。

3.2 限位器阻尼对冲击响应的影响分析

隔离器参数如上所述，并选取限位器单侧间隙为15 mm，限位器与设备组成的弹簧振子系统阻尼比分别为5%、10%、15%、20%、25%、和30%，同时通过改变限位器与隔振器的刚度比α=K限/K隔，来研究不同刚度比情况下限位器阻尼对设备响应的影响。

对单自由度单层隔振系统施加冲击载荷后，得到系统在不同阻尼限位器下相对位移响应峰值和绝对加速度响应峰值分别如图7、图8所示。

图7 阻尼比对位移响应的影响

图7表明，对于限位器刚度为定值的设备，设备相对位移幅值随限位器阻尼的增大而减小，小刚度限位器对阻尼更加敏感，增大阻尼能显著降低小刚度限位器作用下设备的相对位移响应幅值。

图8表明，对于大刚度比的设备加速度幅值随限位器阻尼增大而减小，增大阻尼能显著减小大刚度限位器作用下设备的加速度响应；对于小刚度比的设备加速度幅值随限位器阻尼增大先减小后增大，针对此现象，另做计算分析，结果如图9所示。

表1 6JX-400隔离器性能参数

图8 阻尼比对加速度响应的影响

图9 小刚度比限位器阻尼对加速度响应的影响

图9表明，在限位器阻尼比取值较小（5%、10%、15%）时，设备加速度幅值随着限位器阻尼比的增大而减小；在限位器阻尼比取值较大（20%、25%）时，设备加速度幅值随着限位器阻尼比的增大而缓慢增大。这是因为在限位器阻尼比较小时，第一次碰撞（与下限位器碰撞）限位器消耗能量较少，相对位移幅值和加速度峰值均出现在第二次碰撞（与上限位器碰撞）限位器的时候；在限位器阻尼比比较大时，第一碰撞限位器消耗能量较大，相对位移幅值和加速度峰值均出现在第一次碰撞限位器的时候。由此可见，适当增大限位器阻尼能降低带大刚度限位器设备相对位移和加速度响应幅值；适当选取限位器阻尼能降低带小刚度限位器设备相对位移和加速度响应幅值。对于不同刚度的限位器参数需要适当选取，否则会对设备造成二次冲击。

4 结语

本文探讨了单自由度单层隔振系统在带有不同阻尼限位器的隔振系统抗冲击性能的影响，借助Ansys软件对隔振系统进行抗冲击时域模拟计算，对比分析其不同状况下的冲击响应特性；通过计算分析得到如下结论。

（1）限位器主要用于改善隔振系统的抗冲击性能。限位器可以有效限制隔振系统的相对位移响应幅值，但值得注意的是，这是以增大隔振系统绝对加速度响应幅值为代价。

（2）要提高系统的抗冲击性能，就必须使系统的恢复力在整个响应器件尽量均匀。增加限位器阻尼能有效改善此状况。

（3）增大限位器的阻尼不一定能降低设备的相对位移和加速度响应幅值。增大阻尼对小刚度限位器作用下设备的相对位移幅值有显著减小作用，对大刚度限位器作用下设备的加速度响应幅值有显著减小作用。

[1]汪玉，华宏星.舰船现代冲击理论及应用[M].北京：科学出版社，2005：1-16，66-68.

[2]GABERSON H A.Classification of violent environments that cause equipment failure[J].Sound and Vibration,2000,34(5):16-23.

[3]严济宽.机械振动隔离技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，1986.

[4]翁雪涛，蒋学武，信世堡，等.减振系统的抗冲击性能计算[J].噪声与振动控制，1999，19(2)：16-20.

[5]周文亮，王强.冲击隔离发展浅谈[J].噪声与振动控制，2002，22(4)：22-25.

[6]赵存生，唐钦，唐斯密.刚度分段线性系统抗冲击等效线性化研究[J].噪声与振动控制，2010，30(9)：24-27.

[7]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.

[8]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.

[9]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.

[10]许庆新，沈荣瀛.带限位器的隔振系统冲击动力学仿真[C].第八届全国振动理论及应用学术会论文文集摘要，上海，2003.

[11]汪玉，胡刚义，华宏星.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.

[12]林道福.带限位器的浮筏隔振的冲击响应分析[D].上海：中国科研院上海冶金研究所，2000.

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

[14]SCAVUZZO R J,HILL G D J,SAXE P.The“Spectrum dip”:Dynamic interaction of system components[J].Journal of Pressure Vessel Technology,2015,137(4):044701.

[15]JAVIER BONET,RICHARD DWOOD.Nonlinear continuum mechanics for finite elemnet analysis[M].Canbridge University Press,1997.

[16]张梁娟.海上风机安装中的软着路关键技术研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[17]尹立国.抗冲击浮筏隔振系统非线性特性研究[D].镇江：江苏科技大学，2003.

Analysis of the Shock Response of a Single-layer Vibration Isolation System with a Limiter

HAN Lu,MENG Xian-song,YAN Ming,ZHU He
(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

Most of the shock energy can be absorbed by the isolation system in the ship equipment.At the same time,in order to restrict the overlarge deformation of the equipment in the shock response,restrictors are usually necessary.In this paper,a single DOF vibration isolation system is researched by time-domain simulation method.With the condition of underwater explosion,the dynamic responses of the vibration isolation system with different damping restrictors are simulated and studied.The relative displacement and absolute acceleration responses of the vibration isolation system is calculated under the impact load.The influence of limiter parameters on the shock response is analyzed.This work has provided a reference for shock resistance design and performance evaluation for ship equipment.

vibration and wave;restrictor;shock resistance performance;underwater explosion;shock response

O241.82；TH873.4

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.006

1006-1355(2017)05-0029-04

2017-02-19

中国博士后基金资助项目(2014M562622)；航空科学基金资助项目(201404Q5001)

韩璐(1993－)，女，辽宁省抚顺市人，硕士生，主要研究方向为舰艇设备抗冲击设计。

孟宪松(1974－)，女，辽宁省本溪市人，硕士生导师。

Email:1261459334@qq.com