船用振動隔振器性能研究

謝耀國,曲先強,崔洪斌,李新飛

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

船用振動隔振器性能研究

謝耀國,曲先強,崔洪斌,李新飛

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

對安裝在船用設備上的疊層鋼片振動隔振器的靜態及動態性能進行分析測試,在不同疊層鋼片厚度、弧度以及預緊力參數下,分別進行了靜、動態性能測試,對測試結果進行分析。測試結果表明,該隔振器具有較好的隔振效果,其動、靜態的承載能力較大,承載范圍較寬,在隔振器內部疊層鋼片片數及厚度一定的情況下,疊層鋼片弧度及其預緊力對其靜剛度、動剛度和阻尼比等性能參數均有一定影響,測試結果對于工程設計具有較高的參考價值。

船用振動隔振器;疊層鋼片;性能測試

1 振動隔振器結構

在艦船設備與其安裝基座之間安裝隔振器是一種有效的、且被各國海軍廣泛接受的方法,在基座上輸入的激發能量暫時由隔振器存儲,接著作為小振幅的低頻振動傳輸到設備上,從而達到沖擊隔離作用[1]。對于船舶用隔振器,特別是主機隔振已經有了一些成熟的研究[2-5],設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]。

本文研究的振動隔振器(以下簡稱隔振器)安裝在船用大型設備變速箱與基座之間,隔振器承受的質量在3 000 kg左右,設備振動主頻率在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,以及適當的阻尼比和合適的共振頻率等性能參數。隔振器結構示意圖見圖1,安裝示意圖見圖2。減振支撐體系的基本原理是: 利用減振系統使結構自振周期延長,再結合適當的擠壓油膜阻尼,大大減弱結構物的振動量級,讓結構物的變形能量不是結構自身的相對變形承擔,而主要由減振系統承擔,所以在振動過程中輸入到上部結構的能量很小,為上部結構的振動防護提供更好的安全保障。

圖1 隔振器結構形式示意圖

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,無前人經驗可借鑒,弧狀鋼片本身具有幾何非線性,又具有接觸非線性,因此對于這些具有多重非線性的鋼片疊合而成的隔振器計算非常復雜,無法完全借助商業有限元分析軟件直接進行計算分析,因此實驗是其性能分析必不可少的性能分析手段。本文主要通過實驗測試并結合數值計算,對鋼片疊合而成的隔振器進行研究,旨在為這種新型隔振器的選型提供一個經濟、方便的支持方法。

2 隔振器靜態性能數值計算分析

應用有限元軟件對隔振器進行設計與分析,可以計算組裝后各片預應力響應和各片間的接觸狀態,利用有限元軟件對鋼板減振支撐進行了接觸分析。本文利用有限元分析軟件ABAQUS,對內部為40片平鋼片(鋼片厚為0.5 mm)的減振支撐結構分別在預緊力矩為8 Nm、12 Nm、16 Nm和20 Nm下的靜態平均剛度進行了模擬分析,為實際鋼板減振支撐結構的設計中確定參數提供依據。

2.1 平板研究方法

在ABAQUS中利用建立三維實體模型,鋼板減振支撐結構建模時,考慮結構模型的總體對稱性,同時為了減少有限元單元數量提高求解速度,取結構的1/2

作為研究對象。結構單元選用八節點線性六面體單元C3D8I。

鋼板墊片的材料為65 Mn,彈性模量為196 Gpa,泊松比為0.26。鋼板減振支撐結構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面間建立接觸,選取相對面的下層面為主面,其對立面為從面,滑移公式選擇為有限滑移,主面與從面間除了默認設置的“硬接觸”外,還要設置摩擦系數,兩鋼片之間的接觸摩擦系數一般取0.1～0.3,本文摩擦系數設置為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點的x、y、z向的平動自由度及繞x、y、z軸的轉動自由度,在減振支撐的中心對稱處施加對稱約束。

分3個荷載步進行加載:第1個荷載步施加一個稍小的螺栓荷載,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個荷載步施加實際的螺栓荷載;第3個荷載步施加實驗荷載。

2.3 平鋼片減振支撐結構靜剛度與應力分析

通過上述方法建立有限元模型,施加螺栓預緊力,并施加相應的實驗荷載,根據下式計算靜剛度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倍額定載荷時隔振器的靜變形量(m)；X0.9為在0.9倍額定載荷時隔振器的靜變形量(m)。

計算結果見表1。

表1 內部鋼片為平鋼片數值計算靜剛度

3 隔振器靜、動態性能測試

3.1 測試方法

試驗按照GB/T 15168—94標準對隔振器進行靜、動態性能測試[11],試驗設備為MTS810試驗機,試驗裝置中隔振器以及振動傳感器的安裝如圖2所示。隔振器剛性安裝在試驗設備臺面上,系統的剛度中心、質量中心及作用載荷中心在同一直線上,傳感器安裝在試驗機上表面中心(載荷中心)。該系統可進行載荷、位移及振動響應的測量。

3.2 靜態性能測試

隔振器靜態性能包含:額定載荷下的靜變形、靜剛度、靜載荷與靜變形關系曲線。

加載方式:在隔振器承載方向上重復進行2次預加載、卸載試驗,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,同時采集、記錄各點(采樣率102.4 Hz)加、卸載荷時的變形值(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)計算。

根據測得的隔振器各點靜載荷量及加、卸載時的平均靜變形量繪制靜載荷-變形曲線。每組試驗有效數據大于3組。

3.3 動態性能測試

在簡諧位移激勵下隔振器的動態剛度受靜態預載、激勵位移幅值和激勵頻率的強烈影響[12]。對于隔振器有多種方法可以用來表示具有內摩擦或者能量損耗的彈性-阻尼材料的特性,廣泛采用的是復剛度描述方法[13]。根據單自由度彈性系統中慣性力、彈性力、阻尼力及外力平衡原理確定隔振器動態性能參數。系統假定為黏彈性結構阻尼、輸入信號為簡諧信號時,試驗系統(單自由度)力學模型如圖3所示,運動方程式按式(2)確定。

(2)

圖3 系統力學模型

根據式(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坐標圖上構成的共振遲滯回線中確定動態性能參數,遲滯回線如圖4所示。

圖4 遲滯回線

3.3.1 動剛度

當位移為最大時速度為零,此時傳遞力FT等于彈性力KX0,動剛度K按下式計算:

(3)

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

3.3.2 阻尼比

當共振時,阻尼力FD=jKX0,η=βC/2,彈性力FT=KX0=βB/2,阻尼比ξ按下式計算:

(4)

式中:C為位移達到零時傳遞力在遲滯回線上的雙幅長度(mm);FD為位移達到零時對應的傳遞力(N)。

4 隔振器隔振性能測試

4.1 測試內容

對3組內部鋼片為平板、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螺栓預緊力矩條件下,利用螺栓將減振支撐結構安裝在剛度為109N/m級別的承載構架上(實際安裝時的構架剛度),并且在有一定負載的的條件下,使用激振器模擬周期振動載荷,對減振支撐結構上、下的負載結構(主控結構)和承載構架結構(被控結構)加速度響應進行測試,通過信號對比分析可以得到振動量級在經過減振支撐結構傳遞后的振動量級衰減率。

4.2 測試方法

首先設計加工測試用負載和承載構架結構,由于對承載構架有剛度要求,通過有限元分析計算出它的剛度,經過對承載構架結構有限元分析其剛度為1.76×109N/m。對3組內部鋼片為平板、小弧度、大弧度(弧度參數同上)參數的試件在12 Nm螺栓預緊力矩條件下進行測試。

將負載及承載框架結構按要求安裝好,加速度響應測點布置在負載及承載框架結構中心,負載質量為3 000 kg,加載方式如圖5所示。

圖5 振動測試加載方式

圖6 掃頻頻譜分析圖

5 測試結果分析

對于本疊層鋼片隔振器性能測試,在幾何尺寸一定的情況下,疊層鋼片單片厚度取0.5 mm,片數取40片,以針對可能影響其性能的參數為變量進行測試,即分別調整鋼片弧度以及鋼片壓緊螺栓預緊力。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、動態性能測試結果

在鋼片弧度以及鋼片壓緊螺栓預緊力兩種參數下,共12組試件分別進行了靜態性能以及動態性能測試,以下為測試及分析結果。

(1) 靜態性能測試結果。按照預先設計的測試方法,得到各試件靜態條件下的力、位移數據,根據公式(1)計算出各試件的靜剛度值,見表2。

表2 不同參數下的各試件靜剛度值

(2) 動態性能測試結果。對于動態性能測試,先在試驗機上對試件進行了掃頻測試,頻率范圍取0～30 Hz往復,對得到的振動加速度原始數據進行頻譜分析,從中可發現,在21～24 Hz之間出現了明顯的峰值點,如圖6所示,在此頻率段前后振動幅值均會急劇下降,可知其峰值點的頻率即為其共振頻率。在共振頻率上進行動態加載得到共振遲滯回線。根據公式(3)及(4)計算出各試件的動剛度值Ks以及阻尼比ξ,結果見表3和表4。

表3 不同參數下的各試件動剛度值

表4 不同參數下的各試件阻尼比

5.2 隔振器鋼片弧度及預緊力對其性能參數的影響分析

根據測試和計算結果可以看到,鋼片弧度及預緊力矩對試件靜剛度值、動剛度值、阻尼比以及動靜剛度比都有一定的影響。

通過以上數據對比分析可知:此疊層鋼片隔振器性能參數靜剛度、動剛度與鋼片弧度成反比,與預緊力矩成正比;預緊力矩在達到一定值時(大于8 Nm)對阻尼比影響較小,鋼片弧度與阻尼比成正比;另外,預緊力矩對平鋼片的動、靜剛度比無明顯影響,而預緊力矩與帶弧度鋼片的動、靜剛度比成正比;鋼片弧度與試件的動、靜剛度比成正比。

5.3 隔振器隔振效果分析

表5 隔振試驗結果

6 結論

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

(2) 平鋼片預緊力矩超過12 Nm時,剛度值上升緩慢,帶弧度鋼片在預緊力矩超過16 Nm時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,阻尼比也會響應增大。

(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,雖然減小阻尼對降低振動傳遞率是有利的,但是為了使結構安全通過共振區應當考慮保持一定的阻尼比。

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

(6) 將平板的靜剛度計算值與測試結果進行對比,結果表明計算值與測試值之間的誤差在30%以內。

References)

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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

國家自然科學基金項目(51209046)；多體船國防重點學科實驗室基金資助(HEUDTC1405)

謝耀國(1982—),男,黑龍江尚志,博士研究生,講師,主要研究領域為船舶結構動力學分析及測試技術.

E-mail:xieyaoguo@hrbeu.edu.cn

U661.43

A

1002-4956(2015)- 0046- 05