魚雷振動試驗系統結構傳遞特性影響因素分析

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 張志民, 單志雄

魚雷振動試驗系統結構傳遞特性影響因素分析

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 張志民, 單志雄

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

魚雷振動試驗系統結構復雜, 涉及螺栓連接、非線性材料、夾具等結構。試驗系統傳遞特性優劣對振動環境條件模擬的置信度起著決定性的作用, 因此, 構建能夠準確傳遞振動試驗條件的試驗系統是開展結構傳遞特性試驗和仿真的基礎。文中針對艙段振動試驗系統, 基于不同邊界條件設置, 開展隨機載荷激勵下系統的傳遞特性有限元仿真分析, 最終確定了影響試驗系統結構傳遞特性的因素。并得出以下結論: 1) 螺栓預緊力、夾具支撐間距、中間層材料屬性是影響系統傳遞特性的主要因素; 2) 在一定范圍內, 隨著螺栓預緊力增加, 系統傳遞特性呈遞增趨勢, 當擰緊力矩大于40 N·m時系統傳遞特性趨于穩定; 3) 長細比為2~4左右的魚雷艙段, 支撐比取50%~66.67%時系統傳遞特性更好; 4) 中間層取厚度小、摩擦系數大、阻尼比相對較大的材料時, 系統共振頻率更高, 傳遞特性更好。

魚雷; 艙段; 振動試驗; 傳遞特性; 影響因素

0 引言

隨著現代魚雷性能指標的逐漸提高, 使用平臺逐步增多, 力學環境更加復雜, 要求不斷優化魚雷結構動態特性, 在滿足功能和性能要求的同時, 具有良好的環境適應能力。振動試驗作為評價魚雷力學環境適應能力的最主要手段之一[1], 因其能夠較為真實地模擬振動環境等優點, 在結構的性能考核、強度檢驗和可靠性試驗中得到了廣泛的應用。魚雷振動試驗基于振動試驗系統展開, 該系統主要是指位于振動能量傳遞路徑上的各機械結構的組合體(不包括振動臺和測試設備)，其結構復雜, 涉及螺栓連接結構、中間層非金屬材料、夾具等結構。振動試驗的可信度取決于試驗系統能否將實際振動環境真實地作用于試驗件上, 既不存在過試驗, 也不存在欠試驗[2]。因此構建能夠準確傳遞振動條件的振動試驗系統是開展振動試驗和結構傳遞特性分析的前提。

目前, 結構振動傳遞特性分析的主要方法是: 1) 基于結構的線性動力學微分方程(或有限元模型)求解動態參數; 2) 通過正弦掃頻試驗測量結構的傳遞函數和動態響應[3-4]。

然而, 魚雷經受的大部分力學環境是隨機振動, 若僅采用正弦掃頻試驗分析魚雷的結構動態特性, 無法獲得全面的結構動態響應特性。針對細長結構體, 采用隨機振動仿真分析[5-10], 不僅可以提前預示試驗件的振動響應情況, 獲得振動臺試驗中無法測到部位的響應情況, 而且能更加真實地模擬產品在振動環境條件下的動態特性。

因此, 文中基于隨機振動分析, 開展魚雷振動試驗系統傳遞特性研究, 確定影響其傳遞特性的因素及其相應的取值范圍。

1 基于隨機振動的結構傳遞特性理論

其中

系統對任意激勵的響應為

將式(4)代入式(1)得

利用下列關系

將式(6)代入式(5)得

可得

將式(11)代入式(7)可得

由此得出了試驗系統振動傳遞率的公式

式中

將式(14)、式(15)代入式(13)可得

式(17)即為由激勵均方根值與響應均方根值表示的試驗系統傳遞率。文中基于上述隨機振動傳遞理論開展結構傳遞特性分析。

2 系統傳遞特性影響因素仿真分析

2.1 系統構成

工程中考慮到逐級釋放設計風險, 逐步考核結構的力學環境適應性, 根據試驗對象的不同, 魚雷振動試驗可分為: 組/部件級振動試驗、艙段級振動試驗和全雷級振動試驗。文中基于艙段級振動試驗系統開展結構傳遞特性影響因素分析。

圖1為典型艙段振動試驗系統, 由試驗件、夾具及緊固件等組成, 振動試驗前, 需要明確螺栓預緊力取值、夾具支撐點間距選取以及夾具與試件連接處中間層材料選擇。文中基于有限元隨機振動仿真分析系統結構振動傳遞特性, 確定螺栓預緊力、支撐間距、中間層材料屬性對試驗系統傳遞特性的影響程度。

圖1 艙段試驗系統結構圖

2.2 螺栓預緊力對系統傳遞特性影響

以圖1所示的雙支撐方式振動試驗系統模型為研究對象, 開展螺栓預緊力對振動試驗系統傳遞特性的影響分析。螺栓處施加預緊力(10～160 N·m), 利用Workbench開展基于預應力的結構模態分析, 不同預緊力下模態仿真結果如圖2所示。

圖2 不同螺栓預緊力下系統模態頻率

由圖2可以看出, 隨著螺栓擰緊力矩不斷增大, 系統模態頻率呈遞增趨勢。當擰緊力矩大于40 N·m時, 不同預緊力下系統模態頻率變化趨于穩定。基于模態分析結果, 在10~2 000 Hz范圍內, 對系統固定約束端施加0.02 g2/Hz的平直功率譜密度進行隨機振動分析, 不同擰緊力矩下系統振動傳遞特性如圖3所示。

圖3 不同螺栓預緊力下系統振動傳遞率

從圖中可以看出, 隨著螺栓擰緊力矩的增大, 系統傳遞特性呈遞減趨勢, 當擰緊力矩小于40 N·m時, 系統傳遞特性不穩定; 當擰緊力矩大于40 N·m時, 系統前部、中部傳遞特性均趨于穩定, 系統傳遞特性較好。

綜上所述, 對于螺栓預緊的振動試驗系統, 在螺栓承載能力范圍內, 隨著螺栓預緊力的不斷增大,系統剛度逐漸提高, 模態頻率不斷增大，傳遞特性趨于穩定。因此, 壓緊試驗件的螺栓擰緊力矩是影響系統傳遞特性的一個主因。

2.3 夾具支撐間距對系統傳遞特性影響

圖4 夾具支撐位置簡圖

由圖5和圖6可看出, 當艙段試驗系統支撐比為0.5~0.67時,系統前、中、后部共振峰幅值、傳遞率均取最小值, 此時系統的頻響特性最好。

圖5 系統響應共振峰幅值隨支撐比變化曲線

綜上所述, 夾具支撐位置是影響試驗系統傳遞特性的又一關鍵因素。對于長細比為2~4左右的魚雷艙段, 振動試驗時夾具支撐間距選取支撐比為(1/2~2/3)較為合理, 此時系統傳遞放大系數≤3, 系統傳遞特性最好。

圖6 系統振動傳遞率隨支撐比變化曲線

2.4 中間層材料對系統傳遞特性影響

振動試驗系統中夾具與試件連接部位通常設計有非金屬中間層, 其主要作用是防止裝夾時損傷試件, 同時提供較大的摩擦系數, 防止試件振動時脫離。試驗或仿真時, 中間層材料如何選擇, 增加中間層后系統的傳遞特性, 均沒有參考標準, 因此, 開展中間層材料對系統傳遞特性影響分析具有重要意義。如圖7所示試驗系統，中間層為彈性模量小、阻尼系數大、摩擦力大的材料, 當中間層為阻尼材料時, 系統可看作以夾具與試驗件裝夾面為系統基礎, 中間層為隔振器的隔振系統, 不考慮夾具特性對試驗系統的影響。當夾具向中間層施加簡諧激勵時, 試驗系統可等效為圖8所示的振動隔離系統。

圖7 中間層+試件系統簡圖

圖8 隔振系統理論模型

式中:為系統質量(忽略中間層質量);為中間層材料阻尼;為中間層剛度。

傳遞率為

圖9 系統振動傳遞率隨頻率比變化曲線

基于圖8所示系統模型, 在0～2 000 Hz頻率范圍內, 向系統約束施加0.02 g2/Hz的平直功率譜密度, 分析中間層的材料參數、厚度對試驗系統傳遞特性的影響。選用2種不同材料、不同厚度的中間層時, 分析厚度分別為1, 2, 3, 20 mm時, 系統的響應特性如圖10所示。

圖10 系統振動響應隨中間層厚度變化曲線

由圖10可看出, 增加中間層厚度, 系統的固有頻率逐漸降低，原因是中間阻尼層黏彈性材料的彈性模量較低時, 隨著阻尼層厚度的增加, 剪切變形引起的阻尼結構彎曲剛度下降, 整個結構變“軟”, 所以固有頻率降低[13-14]。當中間層厚度取相同值時, 中間層材料阻尼比大的系統響應峰值比阻尼比小的低, 且峰值頻率向高頻方向移動。因此, 通過在夾具與試件間增加較小厚度的中間層可使系統共振頻率向高頻區移動, 能有效減小夾具響應放大對系統的損傷。試驗時, 中間層應選擇阻尼比相對較大, 同時摩擦系數較大的材料, 在確保試驗件裝夾可靠的前提下, 中間層厚度越小越好。

工程中, 振動環境試驗時常用的中間層材料主要有毛氈、硬橡膠等, 2種材料的參數如表1所示。

表1 常用中間層材料性能參數

由表1可以看出, 硬橡膠彈性模量、阻尼比、摩擦系數均比毛氈大。綜合上述理論及仿真分析結果, 在振動試驗時, 中間層應選用厚度為1~3 mm左右的硬橡膠更為合理。因此, 振動試驗中, 中間層材料是影響系統傳遞特性的又一因素。

3 結論

文中基于艙段+夾具試驗系統, 運用有限元仿真方法開展不同邊界條件下系統在隨機載荷激勵下的傳遞特性分析, 最終確定了影響系統傳遞特性的因素。從文中分析得到以下結論:

1) 螺栓預緊力、夾具支撐間距、中間層材料屬性是影響系統傳遞特性的主要因素;

2) 在一定范圍內, 隨著螺栓預緊力增加, 系統傳遞特性呈遞增趨勢, 擰緊力矩大于40 N·m即可使系統傳遞特性穩定;

3) 對于長細比為2~4左右的魚雷艙段, 支撐比為(50%~66.67%)時系統傳遞特性更好;

4) 中間層取厚度小、摩擦系數大、阻尼比相對較大的材料時, 系統共振頻率更高, 傳遞特性更好。

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Analysis on the Factors Influencing Structural Transfer Characteristic of Torpedo Vibration Test System

WANG Hong-rui, CAO Xiao-juan, YIN Shao-ping, ZHANG Zhi-min, SHAN Zhi-xiong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The transfer characteristic of the torpedo vibration test system is crucial to the confidence level of vibration environment simulation. Therefore, constructing a test system that can accurately transmit vibration test conditions is the basis for conducting test and simulation of structural transfer characteristic. In this paper, based on different boundary conditions, finite element simulation analysis of transfer characteristic of system under random load excitation is carried out for the cabin vibration test system, and the factors influencing structural transfer characteristic of the test system are determined. Conclusions are drawn as follows: 1) bolt preload, clamp support spacing, and intermediate layer material’s properties are the main factors affecting the transfer characteristic of the system; 2) within a certain range, as the bolt preload increases, the transfer characteristic of the system tends to increase, but when the tightening torque is greater than 40 N·m, the transfer characteristic tends to be stable; 3) the torpedo cabin with a slenderness ratio of 2 to 4 has better system transfer characteristic when the support ratio is from 50% to 66.67%; and 4) when the intermediate layer uses a material with small thickness, large friction coefficient and relatively large damping ratio, the system can achieve higher resonance frequency and better transfer characteristic.

torpedo; cabin; vibration test; transfer characteristic; influencing factor

TJ630.1; O329

A

2096-3920(2019)05-0574-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.014

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 等. 魚雷振動試驗系統結構傳遞特性影響因素分析[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(5): 574-579.

2019-03-01;

2019-04-06.

王紅瑞(1985-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向為結構與振動噪聲控制.

(責任編輯: 許 妍)