船用振動(dòng)隔振器性能研究

謝耀國(guó),曲先強(qiáng),崔洪斌,李新飛

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

船用振動(dòng)隔振器性能研究

謝耀國(guó),曲先強(qiáng),崔洪斌,李新飛

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

對(duì)安裝在船用設(shè)備上的疊層鋼片振動(dòng)隔振器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析測(cè)試,在不同疊層鋼片厚度、弧度以及預(yù)緊力參數(shù)下,分別進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試,對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果表明,該隔振器具有較好的隔振效果,其動(dòng)、靜態(tài)的承載能力較大,承載范圍較寬,在隔振器內(nèi)部疊層鋼片片數(shù)及厚度一定的情況下,疊層鋼片弧度及其預(yù)緊力對(duì)其靜剛度、動(dòng)剛度和阻尼比等性能參數(shù)均有一定影響,測(cè)試結(jié)果對(duì)于工程設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

船用振動(dòng)隔振器;疊層鋼片;性能測(cè)試

1 振動(dòng)隔振器結(jié)構(gòu)

在艦船設(shè)備與其安裝基座之間安裝隔振器是一種有效的、且被各國(guó)海軍廣泛接受的方法,在基座上輸入的激發(fā)能量暫時(shí)由隔振器存儲(chǔ),接著作為小振幅的低頻振動(dòng)傳輸?shù)皆O(shè)備上,從而達(dá)到?jīng)_擊隔離作用[1]。對(duì)于船舶用隔振器,特別是主機(jī)隔振已經(jīng)有了一些成熟的研究[2-5],設(shè)備隔振器的研究主要集中在橡膠隔振器和鋼絲繩隔振器上[6-10]。

本文研究的振動(dòng)隔振器(以下簡(jiǎn)稱隔振器)安裝在船用大型設(shè)備變速箱與基座之間,隔振器承受的質(zhì)量在3 000 kg左右,設(shè)備振動(dòng)主頻率在70 Hz左右,主要承受豎向載荷。由于隔振器需要起到支撐以及減振的雙重作用,這就需要其具有一定的剛度,以及適當(dāng)?shù)淖枘岜群秃线m的共振頻率等性能參數(shù)。隔振器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,安裝示意圖見圖2。減振支撐體系的基本原理是: 利用減振系統(tǒng)使結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng),再結(jié)合適當(dāng)?shù)臄D壓油膜阻尼,大大減弱結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)量級(jí),讓結(jié)構(gòu)物的變形能量不是結(jié)構(gòu)自身的相對(duì)變形承擔(dān),而主要由減振系統(tǒng)承擔(dān),所以在振動(dòng)過程中輸入到上部結(jié)構(gòu)的能量很小,為上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)防護(hù)提供更好的安全保障。

圖1 隔振器結(jié)構(gòu)形式示意圖

圖2 安裝示意圖

本文研究的是一種新型的隔振器,屬于金屬隔振器范疇,無前人經(jīng)驗(yàn)可借鑒,弧狀鋼片本身具有幾何非線性,又具有接觸非線性,因此對(duì)于這些具有多重非線性的鋼片疊合而成的隔振器計(jì)算非常復(fù)雜,無法完全借助商業(yè)有限元分析軟件直接進(jìn)行計(jì)算分析,因此實(shí)驗(yàn)是其性能分析必不可少的性能分析手段。本文主要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試并結(jié)合數(shù)值計(jì)算,對(duì)鋼片疊合而成的隔振器進(jìn)行研究,旨在為這種新型隔振器的選型提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)、方便的支持方法。

2 隔振器靜態(tài)性能數(shù)值計(jì)算分析

應(yīng)用有限元軟件對(duì)隔振器進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析,可以計(jì)算組裝后各片預(yù)應(yīng)力響應(yīng)和各片間的接觸狀態(tài),利用有限元軟件對(duì)鋼板減振支撐進(jìn)行了接觸分析。本文利用有限元分析軟件ABAQUS,對(duì)內(nèi)部為40片平鋼片(鋼片厚為0.5 mm)的減振支撐結(jié)構(gòu)分別在預(yù)緊力矩為8 Nm、12 Nm、16 Nm和20 Nm下的靜態(tài)平均剛度進(jìn)行了模擬分析,為實(shí)際鋼板減振支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中確定參數(shù)提供依據(jù)。

2.1 平板研究方法

在ABAQUS中利用建立三維實(shí)體模型,鋼板減振支撐結(jié)構(gòu)建模時(shí),考慮結(jié)構(gòu)模型的總體對(duì)稱性,同時(shí)為了減少有限元單元數(shù)量提高求解速度,取結(jié)構(gòu)的1/2

作為研究對(duì)象。結(jié)構(gòu)單元選用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8I。

鋼板墊片的材料為65 Mn,彈性模量為196 Gpa,泊松比為0.26。鋼板減振支撐結(jié)構(gòu)的組成的鋼片與鋼片之間接觸與否事先未知,而且接觸后存在滑移,在鋼片與鋼片的二層相對(duì)面間建立接觸,選取相對(duì)面的下層面為主面,其對(duì)立面為從面,滑移公式選擇為有限滑移,主面與從面間除了默認(rèn)設(shè)置的“硬接觸”外,還要設(shè)置摩擦系數(shù),兩鋼片之間的接觸摩擦系數(shù)一般取0.1～0.3,本文摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。螺栓與蓋板通過綁定約束連接在一起。

2.2 平板加載與邊界條件

約束條件為約束模型底面所有節(jié)點(diǎn)的x、y、z向的平動(dòng)自由度及繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,在減振支撐的中心對(duì)稱處施加對(duì)稱約束。

分3個(gè)荷載步進(jìn)行加載:第1個(gè)荷載步施加一個(gè)稍小的螺栓荷載,使各層間的接觸平緩地建立起來以使各片鋼板相互貼緊;第2個(gè)荷載步施加實(shí)際的螺栓荷載;第3個(gè)荷載步施加實(shí)驗(yàn)荷載。

2.3 平鋼片減振支撐結(jié)構(gòu)靜剛度與應(yīng)力分析

通過上述方法建立有限元模型,施加螺栓預(yù)緊力,并施加相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)荷載,根據(jù)下式計(jì)算靜剛度Ks:

(1)

式中:P0為隔振器額定載荷(N)；ΔP為靜載荷增量(N)；ΔX為靜變形增量(m)；X1.1為在1.1倍額定載荷時(shí)隔振器的靜變形量(m)；X0.9為在0.9倍額定載荷時(shí)隔振器的靜變形量(m)。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 內(nèi)部鋼片為平鋼片數(shù)值計(jì)算靜剛度

3 隔振器靜、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

試驗(yàn)按照GB/T 15168—94標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔振器進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試[11],試驗(yàn)設(shè)備為MTS810試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)裝置中隔振器以及振動(dòng)傳感器的安裝如圖2所示。隔振器剛性安裝在試驗(yàn)設(shè)備臺(tái)面上,系統(tǒng)的剛度中心、質(zhì)量中心及作用載荷中心在同一直線上,傳感器安裝在試驗(yàn)機(jī)上表面中心(載荷中心)。該系統(tǒng)可進(jìn)行載荷、位移及振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)量。

3.2 靜態(tài)性能測(cè)試

隔振器靜態(tài)性能包含:額定載荷下的靜變形、靜剛度、靜載荷與靜變形關(guān)系曲線。

加載方式:在隔振器承載方向上重復(fù)進(jìn)行2次預(yù)加載、卸載試驗(yàn),速度小于8 mm/min；第3次從零逐步加載至1. 25倍額定載荷后保持30 s,再逐步卸載至零,同時(shí)采集、記錄各點(diǎn)(采樣率102.4 Hz)加、卸載荷時(shí)的變形值(其中含0. 9倍、1倍及1. 1倍額定載荷)。取其平均變形值(即同一載荷時(shí)加、卸載荷的變形值的平均值)為靜變形量。隔振器額定載荷下的靜剛度Ks按公式(1)計(jì)算。

根據(jù)測(cè)得的隔振器各點(diǎn)靜載荷量及加、卸載時(shí)的平均靜變形量繪制靜載荷-變形曲線。每組試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)大于3組。

3.3 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

在簡(jiǎn)諧位移激勵(lì)下隔振器的動(dòng)態(tài)剛度受靜態(tài)預(yù)載、激勵(lì)位移幅值和激勵(lì)頻率的強(qiáng)烈影響[12]。對(duì)于隔振器有多種方法可以用來表示具有內(nèi)摩擦或者能量損耗的彈性-阻尼材料的特性,廣泛采用的是復(fù)剛度描述方法[13]。根據(jù)單自由度彈性系統(tǒng)中慣性力、彈性力、阻尼力及外力平衡原理確定隔振器動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。系統(tǒng)假定為黏彈性結(jié)構(gòu)阻尼、輸入信號(hào)為簡(jiǎn)諧信號(hào)時(shí),試驗(yàn)系統(tǒng)(單自由度)力學(xué)模型如圖3所示,運(yùn)動(dòng)方程式按式(2)確定。

(2)

圖3 系統(tǒng)力學(xué)模型

根據(jù)式(2)中阻尼力與彈性力正交,以及傳遞力由阻尼力和彈性力合成的原則,可從共振位移及傳遞力在x-y坐標(biāo)圖上構(gòu)成的共振遲滯回線中確定動(dòng)態(tài)性能參數(shù),遲滯回線如圖4所示。

圖4 遲滯回線

3.3.1 動(dòng)剛度

當(dāng)位移為最大時(shí)速度為零,此時(shí)傳遞力FT等于彈性力KX0,動(dòng)剛度K按下式計(jì)算:

(3)

式中:A為最大位移在遲滯回線上的雙幅長(zhǎng)度(mm);B為與最大位移對(duì)應(yīng)的傳遞力在遲滯回線上的雙幅長(zhǎng)度(mm);α為橢圓圖上橫坐標(biāo)單位長(zhǎng)度代表的位移(m/mm);β為橢圓圖上縱坐標(biāo)單位長(zhǎng)度代表的力(N/mm);FT為位移達(dá)到最大值時(shí)的傳遞力(N)。

3.3.2 阻尼比

當(dāng)共振時(shí),阻尼力FD=jKX0,η=βC/2,彈性力FT=KX0=βB/2,阻尼比ξ按下式計(jì)算:

(4)

式中:C為位移達(dá)到零時(shí)傳遞力在遲滯回線上的雙幅長(zhǎng)度(mm);FD為位移達(dá)到零時(shí)對(duì)應(yīng)的傳遞力(N)。

4 隔振器隔振性能測(cè)試

4.1 測(cè)試內(nèi)容

對(duì)3組內(nèi)部鋼片為平板、小弧度、大弧度(平板弧度為無限大、自然弧度為40°、大弧度為50°)試件在12 Nm螺栓預(yù)緊力矩條件下,利用螺栓將減振支撐結(jié)構(gòu)安裝在剛度為109N/m級(jí)別的承載構(gòu)架上(實(shí)際安裝時(shí)的構(gòu)架剛度),并且在有一定負(fù)載的的條件下,使用激振器模擬周期振動(dòng)載荷,對(duì)減振支撐結(jié)構(gòu)上、下的負(fù)載結(jié)構(gòu)(主控結(jié)構(gòu))和承載構(gòu)架結(jié)構(gòu)(被控結(jié)構(gòu))加速度響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試,通過信號(hào)對(duì)比分析可以得到振動(dòng)量級(jí)在經(jīng)過減振支撐結(jié)構(gòu)傳遞后的振動(dòng)量級(jí)衰減率。

4.2 測(cè)試方法

首先設(shè)計(jì)加工測(cè)試用負(fù)載和承載構(gòu)架結(jié)構(gòu),由于對(duì)承載構(gòu)架有剛度要求,通過有限元分析計(jì)算出它的剛度,經(jīng)過對(duì)承載構(gòu)架結(jié)構(gòu)有限元分析其剛度為1.76×109N/m。對(duì)3組內(nèi)部鋼片為平板、小弧度、大弧度(弧度參數(shù)同上)參數(shù)的試件在12 Nm螺栓預(yù)緊力矩條件下進(jìn)行測(cè)試。

將負(fù)載及承載框架結(jié)構(gòu)按要求安裝好,加速度響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置在負(fù)載及承載框架結(jié)構(gòu)中心,負(fù)載質(zhì)量為3 000 kg,加載方式如圖5所示。

圖5 振動(dòng)測(cè)試加載方式

圖6 掃頻頻譜分析圖

5 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)于本疊層鋼片隔振器性能測(cè)試,在幾何尺寸一定的情況下,疊層鋼片單片厚度取0.5 mm,片數(shù)取40片,以針對(duì)可能影響其性能的參數(shù)為變量進(jìn)行測(cè)試,即分別調(diào)整鋼片弧度以及鋼片壓緊螺栓預(yù)緊力。其中,疊層鋼片取3組,一組為平鋼片，另兩組帶弧度鋼片,帶弧度鋼片取大弧度(弧度為50°)和小弧度(弧度為40°)2種,預(yù)緊力矩取4組,分別為8 Nm、12 Nm、16 Nm和20 Nm。

5.1 隔振器靜、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果

在鋼片弧度以及鋼片壓緊螺栓預(yù)緊力兩種參數(shù)下,共12組試件分別進(jìn)行了靜態(tài)性能以及動(dòng)態(tài)性能測(cè)試,以下為測(cè)試及分析結(jié)果。

(1) 靜態(tài)性能測(cè)試結(jié)果。按照預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)試方法,得到各試件靜態(tài)條件下的力、位移數(shù)據(jù),根據(jù)公式(1)計(jì)算出各試件的靜剛度值,見表2。

表2 不同參數(shù)下的各試件靜剛度值

(2) 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果。對(duì)于動(dòng)態(tài)性能測(cè)試,先在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行了掃頻測(cè)試,頻率范圍取0～30 Hz往復(fù),對(duì)得到的振動(dòng)加速度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,從中可發(fā)現(xiàn),在21～24 Hz之間出現(xiàn)了明顯的峰值點(diǎn),如圖6所示,在此頻率段前后振動(dòng)幅值均會(huì)急劇下降,可知其峰值點(diǎn)的頻率即為其共振頻率。在共振頻率上進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載得到共振遲滯回線。根據(jù)公式(3)及(4)計(jì)算出各試件的動(dòng)剛度值Ks以及阻尼比ξ,結(jié)果見表3和表4。

表3 不同參數(shù)下的各試件動(dòng)剛度值

表4 不同參數(shù)下的各試件阻尼比

5.2 隔振器鋼片弧度及預(yù)緊力對(duì)其性能參數(shù)的影響分析

根據(jù)測(cè)試和計(jì)算結(jié)果可以看到,鋼片弧度及預(yù)緊力矩對(duì)試件靜剛度值、動(dòng)剛度值、阻尼比以及動(dòng)靜剛度比都有一定的影響。

通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知:此疊層鋼片隔振器性能參數(shù)靜剛度、動(dòng)剛度與鋼片弧度成反比,與預(yù)緊力矩成正比;預(yù)緊力矩在達(dá)到一定值時(shí)(大于8 Nm)對(duì)阻尼比影響較小,鋼片弧度與阻尼比成正比;另外,預(yù)緊力矩對(duì)平鋼片的動(dòng)、靜剛度比無明顯影響,而預(yù)緊力矩與帶弧度鋼片的動(dòng)、靜剛度比成正比;鋼片弧度與試件的動(dòng)、靜剛度比成正比。

5.3 隔振器隔振效果分析

表5 隔振試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 疊層鋼片隔振器動(dòng)、靜態(tài)的承載能力較大,承載范圍較寬,隨著鋼片弧度的減小及預(yù)緊力矩的增大隔振器的剛度也變大。

(2) 平鋼片預(yù)緊力矩超過12 Nm時(shí),剛度值上升緩慢,帶弧度鋼片在預(yù)緊力矩超過16 Nm時(shí)剛度值增大幅度較大,而在16 Nm之前變化不大。

(3) 由于鋼片弧度的增大,阻尼比也會(huì)響應(yīng)增大。

(4) 隔振器工作頻率與共振頻率比大約在2.9～3.4之間,符合隔振原理中通常所使用的頻率比,在頻率比大于1.414時(shí),雖然減小阻尼對(duì)降低振動(dòng)傳遞率是有利的,但是為了使結(jié)構(gòu)安全通過共振區(qū)應(yīng)當(dāng)考慮保持一定的阻尼比。

(5) 疊層鋼片隔振器隔振效果較好,在測(cè)試條件下,其振動(dòng)量級(jí)衰減可達(dá)60%以上。

(6) 將平板的靜剛度計(jì)算值與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明計(jì)算值與測(cè)試值之間的誤差在30%以內(nèi)。

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Study on performance of marine vibration isolators

Xie Yaoguo,Qu Xianqiang,Cui Hongbin,Li Xinfei

(College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Through the analysis and comparison of the results of static and dynamic performance testing of a series of laminated steel pieces isolators used in the vibration isolation of warships,it has good isolation effect,in the number and thickness of laminated steel pieces of the same circumstances,the laminated steel arc and preload of test samples have a certain impact on the values of static stiffness,the dynamic stiffness,the damping ratio as well as the dynamic and static stiffness ratio.

marine vibration isolator;steel pieces;performance testing

2014- 04- 05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209046)；多體船國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室基金資助(HEUDTC1405)

謝耀國(guó)(1982—),男,黑龍江尚志,博士研究生,講師,主要研究領(lǐng)域?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及測(cè)試技術(shù).

E-mail:xieyaoguo@hrbeu.edu.cn

U661.43

A

1002-4956(2015)- 0046- 05