单位文秘网 2021-07-22 08:20:36 点击: 次
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摘要: 在实际工程应用中,振动冲击环境十分复杂,传统的线性隔冲器、准零刚度隔冲器在平衡位置鲁棒性较差。针对这一问题,提出一种预紧式准零刚度(PQZS)隔冲器,通過在平衡位置设置一定的预紧力来提高平衡位置附近的稳定性。为研究预紧式准零刚度隔冲器的隔冲性能,首先,基于碟簧的准零刚度特性设计含预紧力的准零刚度碟簧组件,将其作为隔冲器的弹性元件;然后,根据碟簧组件的力学特性,建立PQZS隔冲器强迫振动微分方程,并通过四阶龙格库塔法获得微分方程解;接着,对比PQZS隔冲器与线性隔冲器、双限位隔冲器在不同冲击环境下的抗冲性能,以及分析几类阻尼对PQZS隔冲器的抗冲性能影响;最后,通过冲击试验验证PQZS隔冲器理论计算结果。结果说明,PQZS隔冲器不仅能够提高静平衡位置鲁棒性,还能够提高抗冲击特性;另外通过妥协阻尼力和弹性力,能够获得几种阻尼条件下的最优缓冲系数;而且PQZS隔冲器冲击试验与理论计算结果吻合,验证了PQZS隔冲器理论模型的合理性和准确性。
关键词: 隔冲器; 缓冲系数; 准零刚度; 预紧力
中图分类号: U661.44; O347.1 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523(2019)05-0767-11
DOI:10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.05.004
引 言
随着科技的进步,导弹和水中兵器不断地更新换代,其命中率和爆炸所形成的冲击当量明显增加,对舰船设备的威胁更为严重,进一步提升舰用设备的隔冲性能具有突出的重要性和紧迫性[1]。设备在使用过程中,不可避免地受到振动和冲击作用,例如舰船上的柴油机既会受到振动作用,也可能受到水下非接触爆炸的强冲击作用。为了保障设备正常工作,需要对设备采取一些振动隔离和冲击防护措施,而安装隔冲器就是一种有效的隔振抗冲击手段。
近年来,一种新型的准零刚度结构在振动隔离和冲击隔离领域引起诸多学者的兴趣[2]。Anvar等将准零刚度振动隔冲器应用于基础振动隔离,并获得较好的振动隔离效果[3]。Zhou等提出一种基于凸轮滚子弹簧机构的准零刚度隔振器,并研究了其非线性动态性能,发现该结构能够大幅值降低隔振频率和振动传递[4]。但是,具有这种类型的准零刚度结构在静平衡位置的刚度近似为零,虽然能够有效吸收振动能量,但在静平衡位置对外部激励载荷十分敏感、鲁棒性差,从而可能影响设备的正常运作。
针对这一问题,需要考虑应用非线性弹性元件,使得隔冲器在静平衡位置具有较大的刚度,从而保证系统在受到较小的扰动时,设备与基座保持相对稳定,而受到大冲击载荷作用时,隔冲器产生缓冲作用,降低设备的冲击响应。相关文献通过研究表明,对弹性元件施加一定的预紧力,能够约束隔冲器的初始变形载荷,从而提高隔冲器在静平衡位置的稳定性[5]。在预紧力作用下,能够保证隔冲器只有受到大于预紧力的外激励载荷作用下才发生变形。因此,提出一种预紧式准零刚度(PQZS)隔冲器,该装置是在传统的准零刚度隔冲器的基础上,通过调整弹性元件初始预紧力来改善隔冲器在静平衡位置的稳定性。本文首先研究了PQZS隔冲器的隔冲性能,并与线性隔冲器、双限位隔冲器在等效阻尼比为0.05的情况下的冲击响应进行对比;其次,还研究了黏性阻尼、幂律流体阻尼和库伦阻尼对PQZS隔冲器的抗冲击性能的影响;最后,总结出PQZS隔冲器实现最优隔冲性能的必要条件,并通过冲击试验验证PQZS隔冲器的理论模型的合理性和准确性。
1 PQZS隔冲器原理及力学特性
1.1 隔冲器原理 PQZS隔冲器的工作原理如图1所示,其主要部件就是安装在基础和设备之间的预紧式准零刚度弹性元件和阻尼元件。下面对预紧式准零刚度弹性元件,即碟簧组件,进行介绍。
PQZS隔冲器的关键部件是含有预紧力F0的串联碟簧组件,为了说明碟簧组件的结构及运动原理,这里以PQZS隔冲器运动状态进行介绍,如图2所示。图中描述了PQZS隔冲器的3种运动状态:静止状态、向下运动状态和向上运动状态。
PQZS隔冲器的特殊之处在于,每组碟簧组件都设置有预紧力F0,其小于设备重量与设备极限加速度幅值Aa的乘积。当被隔离设备未受到冲击或受到小载荷基础冲击作用(冲击载荷小于F0)时,碟簧不发生变形,仍然与基础处于刚性接触状态,即精致状态。在该状态下,冲击力按照1∶1的大小作用到设备上,由于冲击力没有超过设备允许承受的极限加速度幅值Aa,所以可以保障设备安全。
当受到大载荷基础冲击作用(冲击力大于碟簧的设定预紧力F0)时,碟形弹簧发生变形(活塞向下运动,压缩下碟簧组件,活塞向上运动,压缩上碟簧组件),吸收或耗散冲击能量,由于碟簧的变形处于准零刚度区间,恢复力保持近似恒定F0,因此,仍可保障设备安全运行。
1.2 碟簧组件的力学特性
碟簧作为PQZS隔冲器的主要弹性元件,碟簧的准零刚度区间直接影响整个隔离系统的隔冲性能。传统的碟簧计算方法主要是利用Almen-Laszlo方法来进行设计,该方法基于S Timoshenko的假设,假设碟簧为一个有限厚度的回转锥壳体,受轴向载荷作用后存在薄膜应力和弯曲应力[6-7]。通过简化,把碟形弹簧作为一个有初始曲率圆板的大挠度弯曲问题来研究,与圆形边界的平面问题一样,最后推导出n个碟簧的力-位移表达式为Fu=k1δn3-k2δn2+k3δn
(1)式中 k1=Fhα2t2h,k2=Fh3α2t2,k3=Fhhαt2+1h;Fh=2πEt3h3(1-μ2)D2(cc-1)2lnc,α=6lnccr+1cr-1-2lnc。其中,k1,k2和k3为碟簧刚度系数,由碟簧参数决定。δ为碟簧形变量;μ为泊松比;Fh为碟簧压平时的载荷;E为碟簧弹性模量;c为黏性阻尼系数;cr为直径比(D/d);α为与直径比cr相关的无量纲系数;h为碟簧高度;t为碟簧厚度。
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