弹载计算机橡胶阻尼减振器隔热设计研究*

王晓明，康明魁，许 军，李海涛

（西安微电子技术研究所，陕西 西安 710054）

引 言

弹载计算机作为导弹武器系统的“大脑”，具有至关重要的作用。导弹在发射和机动过程中都会产生剧烈的振动和冲击，减振设计是保障弹载计算机稳定可靠工作的基础[1–2]。同时，计算机安装空间密闭且通常位于发动机附近，隔热设计是决定其性能和工作时长的关键。因此，减振隔热设计是弹载计算机设计的关键也是难点之一。

橡胶阻尼减振器具有结构简单、体积小、重量轻、减振效果好等优点，已经广泛应用于弹载计算机的减振，其原理是利用黏弹性材料分子间的内摩擦作用，将机械振动能转化为内能并最终以热的形式散失[3–4]。但橡胶阻尼材料作为非金属材料，其内部很容易形成热量积聚[5–6]。温度对橡胶阻尼减振器的性能会产生很大影响：1）环境温度升高，橡胶阻尼材料会发生不可逆的化学反应，加速橡胶阻尼性能恶化；2）高温会影响橡胶阻尼减振器的刚度，进而影响减振器的力学承载能力[7]，最终导致橡胶阻尼减振器的疲劳性能发生变化。因此，橡胶阻尼减振器的隔热设计具有重要的工程意义。

国内外学者对橡胶阻尼减振器工作过程中的温度升高和阻尼特性变化进行了大量研究。文献[4]研究了周期载荷后橡胶阻尼减振器的温度和阻尼特性变化；文献[8]研究了不同环境温度下橡胶阻尼材料的阻尼参数；文献[9]对比研究了不同温度下橡胶阻尼减振器的静刚度和振动传递率情况；文献[10]进行了橡胶阻尼减振器的动力学分析。但是，已有文献对橡胶阻尼减振器自身的隔热设计关注很少。为此，本文针对某弹载计算机橡胶阻尼减振器的隔热设计开展研究，提出两种隔热设计方案，并基于计算机安装座的实测温度变化曲线，利用有限元分析讨论隔热设计方案的效果和适用情况，为弹载计算机的减振隔热设计提供新的思路。

1 减振器隔热设计方案

某弹载计算机采用橡胶阻尼减振器进行减振，减振器安装于机箱支耳上，减振结构模型如图1所示，整机通过减振器固定于发动机燃烧室附近。减振器安装组件由安装座、导套、垫片、减振垫、螺母及螺钉组成。安装座为GH4099合金，减振垫为ZN–45阻尼材料，紧固件（导套、垫片、螺母及螺钉）为1Cr18Ni9Ti不锈钢，材料参数如表1所示。工作过程中计算机安装座实测温度变化曲线如图2所示，随着工作时间的增长，安装座温度迅速升高，在900 s时达到510°C。因此，为保证工作过程中减振器的减振效率，必须在减振器与安装座之间采取隔热措施，保障减振器阻尼材料处于工作温度范围内。

图1 某弹载计算机减振结构模型

图2 安装座温度变化曲线

表1 减振器各零件材料参数

考虑弹载计算机减振器的减振要求以及安装座温度达到500°C以上时的隔热需求，隔热材料需要具备导热系数低、耐温高、硬度高、强度高等特性。石英复合材料和钛合金材料具备这些特性（材料参数见表2），非常适用于弹载计算机的隔热。因此，本文基于石英复合材料和钛合金材料提出两种减振器隔热设计方案，并利用有限元分析对比两种方案的适用情况。

表2 隔热材料参数

1.1 隔热垫隔热设计方案

选用Nextel–01石英复合材料制成隔热垫，其结构尺寸为外径17 mm、内径6.2 mm、厚度4 mm。减振器与安装座之间增加2块隔热垫，形成隔热层，结构模型如图3所示。

图3 隔热垫设计方案结构模型

1.2 转接板隔热设计方案

选用TA12钛合金制成转接板，用于连接减振器与安装座。转接板与减振器、安装座之间分别再增加隔热垫，结构模型见图4。

图4 转接板设计方案结构模型

2 隔热性能仿真分析

采用FloTHERM软件进行仿真，环境温度设为安装座的起始温度50°C，安装座温度利用瞬态设置，热模型选择“Fixed Temperature”，初始温度设为50°C，建立“Transient Attribute”，设置温度随时间变化曲线（图2），求解域边界设为封闭边界，无自然对流，各零件间接触热阻设为2 K·cm2/W，相邻网格单元最大尺寸比小于20，网格质量满足要求。根据减振器工作温度范围（高温不能超过150°C），以150°C作为临界温度，分析隔热设计方案的散热性能。

2.1 隔热垫设计方案分析结果

经过隔热垫设计方案的仿真分析，得到减振器各零件温度随时间变化曲线，如图5所示。减振器温度云图见图6。

图6 隔热垫设计方案温度云图（约348 s）

分析图5和图6可知：1）随着工作时间增长，减振器阻尼垫的温度快速升高，约348 s后，下阻尼垫温度达到150°C；2）两个隔热垫与安装座之间的温差随着工作时长逐渐增大，约348 s时，安装座温度为343.1°C，下隔热垫温度为286.4°C，两者之间的温差为56.7°C；3）约348 s时，上隔热垫温度为207.2°C，上下隔热垫的温差达到79.2°C，表明隔热垫的数量对隔热效果的影响很大，需根据隔热要求、安装空间、经济成本等综合考虑隔热垫数量。

图5 隔热垫设计方案温度变化曲线

2.2 转接板设计方案分析结果

经过转接板设计方案的仿真分析，得到减振器各零件温度随时间变化曲线，如图7所示。减振器温度云图见图8。

分析图7和图8可知：1）前300 s工作区间内，减振器阻尼垫的温度升高很慢，300 s之后，阻尼垫的温升基本呈线性变化，约646 s后，下阻尼垫温度达到150°C；2）两个隔热垫与转接板之间的温差随着工作时长逐渐增大，约500 s后，温差变化较小；3）约646 s时，安装座温度为479.1°C，转接板温度为247.4°C，转接板与安装座之间的温差达到231.7°C，表明转接板的隔热效果非常显著；4）约646 s时，下隔热垫温度为206.2°C，上隔热垫温度为168.7°C，下隔热垫与转接板的温差为41.2°C，上下隔热垫的温差为37.5°C。

图7 转接板设计方案温度变化曲线

图8 转接板设计方案温度云图（约646 s）

2.3 两种隔热设计方案对比分析

两种隔热设计方案对应的减振器阻尼垫温度随时间变化曲线如图9所示。由图9可知：1）采用隔热垫设计方案时，上下阻尼垫的温差非常大，下阻尼垫到达临界温度时二者温差达到29.1°C；而采用转接板设计方案时，上下阻尼垫的温差很小，下阻尼垫到达临界温度时二者温差为3.6°C，温度一致性非常好。2）采用隔热垫设计方案时，阻尼垫温升速率很大且呈指数变化，下阻尼垫到达临界温度150°C的时长约为348 s；而采用转接板设计方案时，阻尼垫温升速率相对较小且呈线性变化，下阻尼垫到达临界温度150°C的时长约为646 s，转接板设计方案的有效工作时间几乎为隔热垫设计方案的2倍。

图9 两种方案下阻尼垫温度变化曲线对比

综合图5—图9可知：隔热垫设计方案中，隔热垫的数量对隔热性能影响很大；转接板设计方案中，转接板是决定隔热性能的关键，隔热垫的数量对隔热性能影响相对较小。转接板设计方案在隔热性能上优于隔热垫设计方案，但转接板设计方案存在结构复杂、体积大、成本高等缺点，需要综合考虑隔热要求、安装空间、经济性等因素选择合适的隔热设计方案。

3 结束语

本文针对弹载计算机橡胶阻尼减振器面临的隔热设计难题，提出了两种隔热设计方案，并利用有限元仿真分析验证了两种方案的隔热性能。仿真结果表明：1）转接板隔热设计方案的隔热性能优于隔热垫隔热设计方案，前者能够实现的工作时长约为646 s，后者约为348 s；2）隔热垫隔热设计方案具有结构简单、体积小、成本低等优点，隔热性能与隔热垫的数量密切相关；3）转接板隔热设计方案存在结构复杂、体积大、成本高等缺点，隔热性能的关键是转接板。两种隔热设计方案各有优缺点，工程设计人员可根据本文的方法与结论，综合考虑隔热要求、安装空间、成本等因素，选择合适的隔热设计方案。