孟憲松,韓 璐,閆 明,朱 鶴

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870)

水面艦艇特別是潛艇的威脅主要來(lái)自水中的非接觸爆炸,爆炸沖擊波會(huì)使艇體和艇內(nèi)設(shè)備受到強(qiáng)沖擊作用[1-2].目前,各國(guó)海軍普遍采用在船體和設(shè)備之間添加隔離器的方法,既能降低設(shè)備的振動(dòng)和噪聲,也能增強(qiáng)設(shè)備的抗沖擊能力.一般來(lái)說(shuō),隔離器的緩沖變形量越大,其抗沖擊能力就越強(qiáng).為具有良好的隔振隔沖性能,隔離系統(tǒng)的固有頻率一般都較低,具有較小的加速度幅值[3-4],但設(shè)備的相對(duì)位移卻較大,可能會(huì)超過(guò)設(shè)備與外界聯(lián)接部件的允許值,甚至超過(guò)了隔離元件本身的變形范圍[5-6].因此,為了防止艦艇設(shè)備受到?jīng)_擊時(shí)位移超過(guò)允許的范圍,常在設(shè)備上安裝限位器是行之有效的方法之一[7-10].

限位器一方面是為保護(hù)隔振器中的彈性元件,另一方面是為保護(hù)如撓性管接頭、彈性聯(lián)軸器等撓性連接元器件.限位器能否發(fā)揮有效的限位作用,提高離振系統(tǒng)的抗沖擊性能,這會(huì)受到諸多限位參數(shù)的影響[11-12].因此,對(duì)限位器是如何發(fā)揮限位作用的要有清楚的認(rèn)識(shí),對(duì)限位過(guò)程的分析與研究具有重要的意義.

1 帶限位的隔離裝置

1.1 原理模型

隔離器上端與設(shè)備連接,下端固定在甲板或基座上.為防止沖擊過(guò)程中,隔離器的彈性元件產(chǎn)生過(guò)大的彈性變形,使用了限位器.帶限位隔離器的原理模型如圖1所示.圖中:m為設(shè)備的質(zhì)量;K1和C1分別為隔離器的剛度和阻尼;K2和C2分別為限位器的剛度和阻尼.

圖1 帶限位隔離系統(tǒng)的原理模型Fig.1 The principle model of the vibrationisolation system with a limiter

1.2 工作原理

當(dāng)隔離器的彈性元件變形較小時(shí),限位器不發(fā)生作用;當(dāng)隔離器的變形量大于限位單側(cè)間隙時(shí),限位器壓縮吸能,從而限制設(shè)備產(chǎn)生過(guò)大位移.帶限位隔離器系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖2所示.圖中:線段|OD3|,|OD2|分別代表上、下限位間隙;Slope3和Slope2分別代表隔離器的拉伸剛度和壓縮剛度;Slope4和Slope1分別代表上、下限位器發(fā)揮作用時(shí)系統(tǒng)整體的剛度.一般情況下，|OD3| = |OD2| = Gap,Slope3 = Slope2 =K1,Slope1 = Slope4 =K1+K2.

1.3 有限元模型

帶限位隔離器最大的特點(diǎn)是存在間隙,如果只用非線性彈簧來(lái)模擬圖2中所述的力學(xué)模型,則難以考慮到隔離器阻尼與限位器阻尼的實(shí)際工況.借助接觸單元的有限元模型如圖3所示.圖中:1,2,3為線性彈簧單元,其中1代表了隔離器的剛度和阻尼,2代表了上限位器的剛度和阻尼,3代表了下限位器的剛度和阻尼;B點(diǎn)設(shè)置質(zhì)量單元,代表被隔離設(shè)備的質(zhì)量;線性彈簧2的E節(jié)點(diǎn)連接剛性接觸面Sc1;線性彈簧3的F節(jié)點(diǎn)連接剛性接觸面Sc2;線性彈簧1的B節(jié)點(diǎn)連接剛性目標(biāo)面St;Sc1到St的距離為上限位器的間隙;Sc2到St的距離為下限位器的間隙.在該有限元模型中,各個(gè)參數(shù)相互獨(dú)立,便于計(jì)算.

圖2 帶限位隔離系統(tǒng)的力學(xué)模型Fig.2 The mechanical model of the vibrationisolation system

圖3 借接觸單元的有限元模型Fig.3 Finite element model with contact element

1.4 隔振器的性能參數(shù)

本文中選用6JX-400型隔離器對(duì)其Z方向的抗沖擊性能進(jìn)行計(jì)算與分析,其性能參數(shù)如表1所示.取設(shè)備質(zhì)量為0.4 t,隔離器剛度為1 010 N/mm,設(shè)備與隔離器組成的彈簧振子系統(tǒng)阻尼比為6%.

表1 6JX-400 隔離器性能參數(shù)Tab.1 The performance parameters of 6JX-400 isolator

1.5 沖擊條件

本文采用正負(fù)雙波加速度加載形式施加沖擊載荷,正波幅值125.663 7g,負(fù)波幅值31.415 9g,正波脈寬5 ms,負(fù)波脈寬20 ms.加載波形如圖4所示.

圖4 加載波形Fig.4 Loading wave

2 沖擊計(jì)算與過(guò)程分析

設(shè)備及隔離器參數(shù)不變,如表1所述,限位器單側(cè)限位間隙取為10 mm,限位器的剛度為隔離器的32倍,限位器的阻尼比為6%.將圖4所示的沖擊載荷分別施加于無(wú)限位隔離系統(tǒng)和帶限位隔離系統(tǒng),進(jìn)行沖擊計(jì)算與過(guò)程分析.

圖5～圖7分別為無(wú)限位和有限位時(shí)設(shè)備的相對(duì)位移、相對(duì)速度和加速度的時(shí)域響應(yīng)曲線.總體看來(lái):無(wú)限位隔離系統(tǒng)中設(shè)備的相對(duì)位移響應(yīng)、相對(duì)速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)均為逐漸衰減的正弦波;帶限位隔離系統(tǒng)中的設(shè)備與上、下限位器分別發(fā)生了多次撞擊,位移限制效果明顯,同時(shí)加速度響應(yīng)大幅升高.

圖5 設(shè)備的相對(duì)位移響應(yīng)Fig.5 Relative displacement response of equipment

由圖5可以看出:在無(wú)限位隔離系統(tǒng)中，設(shè)備相對(duì)位移的最大值出現(xiàn)在0.069 8 s 時(shí)的第二次峰值,幅值為40.97 mm,此后相對(duì)位移響應(yīng)的波形為逐漸衰減的正弦波;在帶限位隔離系統(tǒng)中，設(shè)備相對(duì)位移最大值出現(xiàn)在0.024 4 s時(shí)的第二次峰值,幅值為27.40 mm,相比無(wú)限位隔離系統(tǒng)幅值減少13.57 mm,起到明顯的限位效果.同時(shí),頻繁的碰撞會(huì)使帶限位的隔離系統(tǒng)響應(yīng)頻率明顯加快.

圖6 設(shè)備的相對(duì)速度響應(yīng)Fig.6 Relative velocity response of equipment

圖7 設(shè)備的加速度響應(yīng)Fig.7 Absolute acceleration response of equipment

由圖6可以看出:在無(wú)限位隔離系統(tǒng)中，設(shè)備的最大相對(duì)速度出現(xiàn)在0.005 0 s時(shí)的第一次峰值,峰值為3.90 m/s,此后速度呈現(xiàn)為逐漸衰減的正弦波;在帶限位隔離系統(tǒng)中，設(shè)備的最大相對(duì)速度出現(xiàn)在0.019 0 s時(shí)的第二次峰值幅值為5.02 m/s,此后速度呈現(xiàn)為逐漸衰減的振蕩波.總體看來(lái):在無(wú)限位隔離系統(tǒng)中，設(shè)備的相對(duì)速度變化平緩;在帶限位隔離系統(tǒng)中,設(shè)備的相對(duì)速度與限位器接觸時(shí)變化劇烈,分離后變化平緩.

由圖7可以看出:在無(wú)限位隔離系統(tǒng)中,設(shè)備的最大加速度出現(xiàn)在0.015 2 s時(shí)的第一次峰值,峰值為10.22g;而帶限位隔離系統(tǒng)中設(shè)備的加速度響應(yīng)大幅增加,最大值達(dá)到148.61g,并且每次與限位器碰撞時(shí),都會(huì)引起加速度的急劇變化.

綜合圖5～圖7得知:限位器在整個(gè)沖擊過(guò)程中,有效地限制了相對(duì)位移響應(yīng),但是如果限位器參數(shù)不匹配,將會(huì)導(dǎo)致相對(duì)速度和加速度響應(yīng)大幅增加,劇烈變化,引起更為嚴(yán)重的二次沖擊.

為了對(duì)限位過(guò)程有更加深入的認(rèn)識(shí),現(xiàn)對(duì)沖擊過(guò)程中隔離器,上、下限位器的載荷進(jìn)行研究,其時(shí)域曲線如圖8～圖10所示.

圖8 隔離器受載荷Fig.8 The load of isolation

圖9 下限位器受載荷Fig.9 The load of isolation lower vibration

圖10 上限位器受載荷情況Fig.10 The load of isolation upper vibration

從圖8中可以看出:在整個(gè)沖擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,隔離器隨設(shè)備一起運(yùn)動(dòng),始終發(fā)揮作用,其中隔離器中的彈性力要遠(yuǎn)大于阻尼力,起主要作用.

與此同時(shí),對(duì)比圖9與圖10中彈性力的最大峰值可知:設(shè)備與上限位器碰撞產(chǎn)生彈性力的最大峰值要遠(yuǎn)大于設(shè)備與下限位器碰撞產(chǎn)生彈性力的最大峰值,這說(shuō)明設(shè)備在與下限位器碰撞之后,使系統(tǒng)的能量得到大幅提高,從而造成設(shè)備與上限位器碰撞得更加劇烈.在隔離系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)不匹配的情況下,隔離系統(tǒng)不但不能起到較好的限位效果,還有可能造成更為劇烈的二次碰撞,造成設(shè)備的損壞.因此,對(duì)限位器參數(shù)優(yōu)化匹配的研究具有重要的價(jià)值與意義.

3 結(jié)論

探討了隔振系統(tǒng)中增加了限位器之后,限位器對(duì)隔振系統(tǒng)隔沖性能的影響.在參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上確定沖擊載荷譜,借助ANSYS軟件對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn)行抗沖擊時(shí)域模擬計(jì)算,對(duì)比分析其在有、無(wú)限位器設(shè)計(jì)兩種不同狀況下,沖擊響應(yīng)特性及限位器受載荷情況.通過(guò)計(jì)算分析,得到如下結(jié)論:

限位器的存在能夠有效地限制設(shè)備的相對(duì)位移,但同時(shí)會(huì)引起設(shè)備速度和加速度響應(yīng)的增大.與此同時(shí),從受力角度分析,在限位器發(fā)揮作用時(shí),系統(tǒng)的動(dòng)能主要轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能,表現(xiàn)為彈性力.并且當(dāng)限位器參數(shù)不匹配時(shí),上限位器的彈性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下限位器的彈性力,造成更為劇烈的二次沖擊.通過(guò)對(duì)限位過(guò)程的沖擊響應(yīng)的分析可知,只有限位參數(shù)得到合理的匹配,才能使限位器得到最佳的限位效果.

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