彈載計(jì)算機(jī)橡膠阻尼減振器隔熱設(shè)計(jì)研究*

王曉明，康明魁，許 軍，李海濤

（西安微電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710054）

引 言

彈載計(jì)算機(jī)作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的“大腦”，具有至關(guān)重要的作用。導(dǎo)彈在發(fā)射和機(jī)動(dòng)過程中都會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和沖擊，減振設(shè)計(jì)是保障彈載計(jì)算機(jī)穩(wěn)定可靠工作的基礎(chǔ)[1–2]。同時(shí)，計(jì)算機(jī)安裝空間密閉且通常位于發(fā)動(dòng)機(jī)附近，隔熱設(shè)計(jì)是決定其性能和工作時(shí)長的關(guān)鍵。因此，減振隔熱設(shè)計(jì)是彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵也是難點(diǎn)之一。

橡膠阻尼減振器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、減振效果好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于彈載計(jì)算機(jī)的減振，其原理是利用黏彈性材料分子間的內(nèi)摩擦作用，將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能并最終以熱的形式散失[3–4]。但橡膠阻尼材料作為非金屬材料，其內(nèi)部很容易形成熱量積聚[5–6]。溫度對(duì)橡膠阻尼減振器的性能會(huì)產(chǎn)生很大影響：1）環(huán)境溫度升高，橡膠阻尼材料會(huì)發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，加速橡膠阻尼性能惡化；2）高溫會(huì)影響橡膠阻尼減振器的剛度，進(jìn)而影響減振器的力學(xué)承載能力[7]，最終導(dǎo)致橡膠阻尼減振器的疲勞性能發(fā)生變化。因此，橡膠阻尼減振器的隔熱設(shè)計(jì)具有重要的工程意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡膠阻尼減振器工作過程中的溫度升高和阻尼特性變化進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[4]研究了周期載荷后橡膠阻尼減振器的溫度和阻尼特性變化；文獻(xiàn)[8]研究了不同環(huán)境溫度下橡膠阻尼材料的阻尼參數(shù)；文獻(xiàn)[9]對(duì)比研究了不同溫度下橡膠阻尼減振器的靜剛度和振動(dòng)傳遞率情況；文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了橡膠阻尼減振器的動(dòng)力學(xué)分析。但是，已有文獻(xiàn)對(duì)橡膠阻尼減振器自身的隔熱設(shè)計(jì)關(guān)注很少。為此，本文針對(duì)某彈載計(jì)算機(jī)橡膠阻尼減振器的隔熱設(shè)計(jì)開展研究，提出兩種隔熱設(shè)計(jì)方案，并基于計(jì)算機(jī)安裝座的實(shí)測溫度變化曲線，利用有限元分析討論隔熱設(shè)計(jì)方案的效果和適用情況，為彈載計(jì)算機(jī)的減振隔熱設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 減振器隔熱設(shè)計(jì)方案

某彈載計(jì)算機(jī)采用橡膠阻尼減振器進(jìn)行減振，減振器安裝于機(jī)箱支耳上，減振結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，整機(jī)通過減振器固定于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室附近。減振器安裝組件由安裝座、導(dǎo)套、墊片、減振墊、螺母及螺釘組成。安裝座為GH4099合金，減振墊為ZN–45阻尼材料，緊固件（導(dǎo)套、墊片、螺母及螺釘）為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，材料參數(shù)如表1所示。工作過程中計(jì)算機(jī)安裝座實(shí)測溫度變化曲線如圖2所示，隨著工作時(shí)間的增長，安裝座溫度迅速升高，在900 s時(shí)達(dá)到510°C。因此，為保證工作過程中減振器的減振效率，必須在減振器與安裝座之間采取隔熱措施，保障減振器阻尼材料處于工作溫度范圍內(nèi)。

圖1 某彈載計(jì)算機(jī)減振結(jié)構(gòu)模型

圖2 安裝座溫度變化曲線

表1 減振器各零件材料參數(shù)

考慮彈載計(jì)算機(jī)減振器的減振要求以及安裝座溫度達(dá)到500°C以上時(shí)的隔熱需求，隔熱材料需要具備導(dǎo)熱系數(shù)低、耐溫高、硬度高、強(qiáng)度高等特性。石英復(fù)合材料和鈦合金材料具備這些特性（材料參數(shù)見表2），非常適用于彈載計(jì)算機(jī)的隔熱。因此，本文基于石英復(fù)合材料和鈦合金材料提出兩種減振器隔熱設(shè)計(jì)方案，并利用有限元分析對(duì)比兩種方案的適用情況。

表2 隔熱材料參數(shù)

1.1 隔熱墊隔熱設(shè)計(jì)方案

選用Nextel–01石英復(fù)合材料制成隔熱墊，其結(jié)構(gòu)尺寸為外徑17 mm、內(nèi)徑6.2 mm、厚度4 mm。減振器與安裝座之間增加2塊隔熱墊，形成隔熱層，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 隔熱墊設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)模型

1.2 轉(zhuǎn)接板隔熱設(shè)計(jì)方案

選用TA12鈦合金制成轉(zhuǎn)接板，用于連接減振器與安裝座。轉(zhuǎn)接板與減振器、安裝座之間分別再增加隔熱墊，結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)模型

2 隔熱性能仿真分析

采用FloTHERM軟件進(jìn)行仿真，環(huán)境溫度設(shè)為安裝座的起始溫度50°C，安裝座溫度利用瞬態(tài)設(shè)置，熱模型選擇“Fixed Temperature”，初始溫度設(shè)為50°C，建立“Transient Attribute”，設(shè)置溫度隨時(shí)間變化曲線（圖2），求解域邊界設(shè)為封閉邊界，無自然對(duì)流，各零件間接觸熱阻設(shè)為2 K·cm2/W，相鄰網(wǎng)格單元最大尺寸比小于20，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。根據(jù)減振器工作溫度范圍（高溫不能超過150°C），以150°C作為臨界溫度，分析隔熱設(shè)計(jì)方案的散熱性能。

2.1 隔熱墊設(shè)計(jì)方案分析結(jié)果

經(jīng)過隔熱墊設(shè)計(jì)方案的仿真分析，得到減振器各零件溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖5所示。減振器溫度云圖見圖6。

圖6 隔熱墊設(shè)計(jì)方案溫度云圖（約348 s）

分析圖5和圖6可知：1）隨著工作時(shí)間增長，減振器阻尼墊的溫度快速升高，約348 s后，下阻尼墊溫度達(dá)到150°C；2）兩個(gè)隔熱墊與安裝座之間的溫差隨著工作時(shí)長逐漸增大，約348 s時(shí)，安裝座溫度為343.1°C，下隔熱墊溫度為286.4°C，兩者之間的溫差為56.7°C；3）約348 s時(shí)，上隔熱墊溫度為207.2°C，上下隔熱墊的溫差達(dá)到79.2°C，表明隔熱墊的數(shù)量對(duì)隔熱效果的影響很大，需根據(jù)隔熱要求、安裝空間、經(jīng)濟(jì)成本等綜合考慮隔熱墊數(shù)量。

圖5 隔熱墊設(shè)計(jì)方案溫度變化曲線

2.2 轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案分析結(jié)果

經(jīng)過轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案的仿真分析，得到減振器各零件溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。減振器溫度云圖見圖8。

分析圖7和圖8可知：1）前300 s工作區(qū)間內(nèi)，減振器阻尼墊的溫度升高很慢，300 s之后，阻尼墊的溫升基本呈線性變化，約646 s后，下阻尼墊溫度達(dá)到150°C；2）兩個(gè)隔熱墊與轉(zhuǎn)接板之間的溫差隨著工作時(shí)長逐漸增大，約500 s后，溫差變化較??；3）約646 s時(shí)，安裝座溫度為479.1°C，轉(zhuǎn)接板溫度為247.4°C，轉(zhuǎn)接板與安裝座之間的溫差達(dá)到231.7°C，表明轉(zhuǎn)接板的隔熱效果非常顯著；4）約646 s時(shí)，下隔熱墊溫度為206.2°C，上隔熱墊溫度為168.7°C，下隔熱墊與轉(zhuǎn)接板的溫差為41.2°C，上下隔熱墊的溫差為37.5°C。

圖7 轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案溫度變化曲線

圖8 轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案溫度云圖（約646 s）

2.3 兩種隔熱設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

兩種隔熱設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的減振器阻尼墊溫度隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。由圖9可知：1）采用隔熱墊設(shè)計(jì)方案時(shí)，上下阻尼墊的溫差非常大，下阻尼墊到達(dá)臨界溫度時(shí)二者溫差達(dá)到29.1°C；而采用轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案時(shí)，上下阻尼墊的溫差很小，下阻尼墊到達(dá)臨界溫度時(shí)二者溫差為3.6°C，溫度一致性非常好。2）采用隔熱墊設(shè)計(jì)方案時(shí)，阻尼墊溫升速率很大且呈指數(shù)變化，下阻尼墊到達(dá)臨界溫度150°C的時(shí)長約為348 s；而采用轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案時(shí)，阻尼墊溫升速率相對(duì)較小且呈線性變化，下阻尼墊到達(dá)臨界溫度150°C的時(shí)長約為646 s，轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案的有效工作時(shí)間幾乎為隔熱墊設(shè)計(jì)方案的2倍。

圖9 兩種方案下阻尼墊溫度變化曲線對(duì)比

綜合圖5—圖9可知：隔熱墊設(shè)計(jì)方案中，隔熱墊的數(shù)量對(duì)隔熱性能影響很大；轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案中，轉(zhuǎn)接板是決定隔熱性能的關(guān)鍵，隔熱墊的數(shù)量對(duì)隔熱性能影響相對(duì)較小。轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案在隔熱性能上優(yōu)于隔熱墊設(shè)計(jì)方案，但轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)方案存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高等缺點(diǎn)，需要綜合考慮隔熱要求、安裝空間、經(jīng)濟(jì)性等因素選擇合適的隔熱設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)彈載計(jì)算機(jī)橡膠阻尼減振器面臨的隔熱設(shè)計(jì)難題，提出了兩種隔熱設(shè)計(jì)方案，并利用有限元仿真分析驗(yàn)證了兩種方案的隔熱性能。仿真結(jié)果表明：1）轉(zhuǎn)接板隔熱設(shè)計(jì)方案的隔熱性能優(yōu)于隔熱墊隔熱設(shè)計(jì)方案，前者能夠?qū)崿F(xiàn)的工作時(shí)長約為646 s，后者約為348 s；2）隔熱墊隔熱設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，隔熱性能與隔熱墊的數(shù)量密切相關(guān)；3）轉(zhuǎn)接板隔熱設(shè)計(jì)方案存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高等缺點(diǎn)，隔熱性能的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)接板。兩種隔熱設(shè)計(jì)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)人員可根據(jù)本文的方法與結(jié)論，綜合考慮隔熱要求、安裝空間、成本等因素，選擇合適的隔熱設(shè)計(jì)方案。