船用振动隔振器性能研究

谢耀国,曲先强,崔洪斌,李新飞

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

船用振动隔振器性能研究

谢耀国,曲先强,崔洪斌,李新飞

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

对安装在船用设备上的叠层钢片振动隔振器的静态及动态性能进行分析测试,在不同叠层钢片厚度、弧度以及预紧力参数下,分别进行了静、动态性能测试,对测试结果进行分析。测试结果表明,该隔振器具有较好的隔振效果,其动、静态的承载能力较大,承载范围较宽,在隔振器内部叠层钢片片数及厚度一定的情况下,叠层钢片弧度及其预紧力对其静刚度、动刚度和阻尼比等性能参数均有一定影响,测试结果对于工程设计具有较高的参考价值。

船用振动隔振器;叠层钢片;性能测试

1 振动隔振器结构

在舰船设备与其安装基座之间安装隔振器是一种有效的、且被各国海军广泛接受的方法,在基座上输入的激发能量暂时由隔振器存储,接着作为小振幅的低频振动传输到设备上,从而达到冲击隔离作用[1]。对于船舶用隔振器,特别是主机隔振已经有了一些成熟的研究[2-5],设备隔振器的研究主要集中在橡胶隔振器和钢丝绳隔振器上[6-10]。

本文研究的振动隔振器(以下简称隔振器)安装在船用大型设备变速箱与基座之间,隔振器承受的质量在3 000 kg左右,设备振动主频率在70 Hz左右,主要承受竖向载荷。由于隔振器需要起到支撑以及减振的双重作用,这就需要其具有一定的刚度,以及适当的阻尼比和合适的共振频率等性能参数。隔振器结构示意图见图1,安装示意图见图2。减振支撑体系的基本原理是: 利用减振系统使结构自振周期延长,再结合适当的挤压油膜阻尼,大大减弱结构物的振动量级,让结构物的变形能量不是结构自身的相对变形承担,而主要由减振系统承担,所以在振动过程中输入到上部结构的能量很小,为上部结构的振动防护提供更好的安全保障。

图1 隔振器结构形式示意图

图2 安装示意图

本文研究的是一种新型的隔振器,属于金属隔振器范畴,无前人经验可借鉴,弧状钢片本身具有几何非线性,又具有接触非线性,因此对于这些具有多重非线性的钢片叠合而成的隔振器计算非常复杂,无法完全借助商业有限元分析软件直接进行计算分析,因此实验是其性能分析必不可少的性能分析手段。本文主要通过实验测试并结合数值计算,对钢片叠合而成的隔振器进行研究,旨在为这种新型隔振器的选型提供一个经济、方便的支持方法。

2 隔振器静态性能数值计算分析

应用有限元软件对隔振器进行设计与分析,可以计算组装后各片预应力响应和各片间的接触状态,利用有限元软件对钢板减振支撑进行了接触分析。本文利用有限元分析软件ABAQUS,对内部为40片平钢片(钢片厚为0.5 mm)的减振支撑结构分别在预紧力矩为8 Nm、12 Nm、16 Nm和20 Nm下的静态平均刚度进行了模拟分析,为实际钢板减振支撑结构的设计中确定参数提供依据。

2.1 平板研究方法

在ABAQUS中利用建立三维实体模型,钢板减振支撑结构建模时,考虑结构模型的总体对称性,同时为了减少有限元单元数量提高求解速度,取结构的1/2

作为研究对象。结构单元选用八节点线性六面体单元C3D8I。

钢板垫片的材料为65 Mn,弹性模量为196 Gpa,泊松比为0.26。钢板减振支撑结构的组成的钢片与钢片之间接触与否事先未知,而且接触后存在滑移,在钢片与钢片的二层相对面间建立接触,选取相对面的下层面为主面,其对立面为从面,滑移公式选择为有限滑移,主面与从面间除了默认设置的“硬接触”外,还要设置摩擦系数,两钢片之间的接触摩擦系数一般取0.1～0.3,本文摩擦系数设置为0.15。螺栓与盖板通过绑定约束连接在一起。

2.2 平板加载与边界条件

约束条件为约束模型底面所有节点的x、y、z向的平动自由度及绕x、y、z轴的转动自由度,在减振支撑的中心对称处施加对称约束。

分3个荷载步进行加载:第1个荷载步施加一个稍小的螺栓荷载,使各层间的接触平缓地建立起来以使各片钢板相互贴紧;第2个荷载步施加实际的螺栓荷载;第3个荷载步施加实验荷载。

2.3 平钢片减振支撑结构静刚度与应力分析

通过上述方法建立有限元模型,施加螺栓预紧力,并施加相应的实验荷载,根据下式计算静刚度Ks:

(1)

式中:P0为隔振器额定载荷(N)；ΔP为静载荷增量(N)；ΔX为静变形增量(m)；X1.1为在1.1倍额定载荷时隔振器的静变形量(m)；X0.9为在0.9倍额定载荷时隔振器的静变形量(m)。

计算结果见表1。

表1 内部钢片为平钢片数值计算静刚度

3 隔振器静、动态性能测试

3.1 测试方法

试验按照GB/T 15168—94标准对隔振器进行静、动态性能测试[11],试验设备为MTS810试验机,试验装置中隔振器以及振动传感器的安装如图2所示。隔振器刚性安装在试验设备台面上,系统的刚度中心、质量中心及作用载荷中心在同一直线上,传感器安装在试验机上表面中心(载荷中心)。该系统可进行载荷、位移及振动响应的测量。

3.2 静态性能测试

隔振器静态性能包含:额定载荷下的静变形、静刚度、静载荷与静变形关系曲线。

加载方式:在隔振器承载方向上重复进行2次预加载、卸载试验,速度小于8 mm/min；第3次从零逐步加载至1. 25倍额定载荷后保持30 s,再逐步卸载至零,同时采集、记录各点(采样率102.4 Hz)加、卸载荷时的变形值(其中含0. 9倍、1倍及1. 1倍额定载荷)。取其平均变形值(即同一载荷时加、卸载荷的变形值的平均值)为静变形量。隔振器额定载荷下的静刚度Ks按公式(1)计算。

根据测得的隔振器各点静载荷量及加、卸载时的平均静变形量绘制静载荷-变形曲线。每组试验有效数据大于3组。

3.3 动态性能测试

在简谐位移激励下隔振器的动态刚度受静态预载、激励位移幅值和激励频率的强烈影响[12]。对于隔振器有多种方法可以用来表示具有内摩擦或者能量损耗的弹性-阻尼材料的特性,广泛采用的是复刚度描述方法[13]。根据单自由度弹性系统中惯性力、弹性力、阻尼力及外力平衡原理确定隔振器动态性能参数。系统假定为黏弹性结构阻尼、输入信号为简谐信号时,试验系统(单自由度)力学模型如图3所示,运动方程式按式(2)确定。

(2)

图3 系统力学模型

根据式(2)中阻尼力与弹性力正交,以及传递力由阻尼力和弹性力合成的原则,可从共振位移及传递力在x-y坐标图上构成的共振迟滞回线中确定动态性能参数,迟滞回线如图4所示。

图4 迟滞回线

3.3.1 动刚度

当位移为最大时速度为零,此时传递力FT等于弹性力KX0,动刚度K按下式计算:

(3)

式中:A为最大位移在迟滞回线上的双幅长度(mm);B为与最大位移对应的传递力在迟滞回线上的双幅长度(mm);α为椭圆图上横坐标单位长度代表的位移(m/mm);β为椭圆图上纵坐标单位长度代表的力(N/mm);FT为位移达到最大值时的传递力(N)。

3.3.2 阻尼比

当共振时,阻尼力FD=jKX0,η=βC/2,弹性力FT=KX0=βB/2,阻尼比ξ按下式计算:

(4)

式中:C为位移达到零时传递力在迟滞回线上的双幅长度(mm);FD为位移达到零时对应的传递力(N)。

4 隔振器隔振性能测试

4.1 测试内容

对3组内部钢片为平板、小弧度、大弧度(平板弧度为无限大、自然弧度为40°、大弧度为50°)试件在12 Nm螺栓预紧力矩条件下,利用螺栓将减振支撑结构安装在刚度为109N/m级别的承载构架上(实际安装时的构架刚度),并且在有一定负载的的条件下,使用激振器模拟周期振动载荷,对减振支撑结构上、下的负载结构(主控结构)和承载构架结构(被控结构)加速度响应进行测试,通过信号对比分析可以得到振动量级在经过减振支撑结构传递后的振动量级衰减率。

4.2 测试方法

首先设计加工测试用负载和承载构架结构,由于对承载构架有刚度要求,通过有限元分析计算出它的刚度,经过对承载构架结构有限元分析其刚度为1.76×109N/m。对3组内部钢片为平板、小弧度、大弧度(弧度参数同上)参数的试件在12 Nm螺栓预紧力矩条件下进行测试。

将负载及承载框架结构按要求安装好,加速度响应测点布置在负载及承载框架结构中心,负载质量为3 000 kg,加载方式如图5所示。

图5 振动测试加载方式

图6 扫频频谱分析图

5 测试结果分析

对于本叠层钢片隔振器性能测试,在几何尺寸一定的情况下,叠层钢片单片厚度取0.5 mm,片数取40片,以针对可能影响其性能的参数为变量进行测试,即分别调整钢片弧度以及钢片压紧螺栓预紧力。其中,叠层钢片取3组,一组为平钢片，另两组带弧度钢片,带弧度钢片取大弧度(弧度为50°)和小弧度(弧度为40°)2种,预紧力矩取4组,分别为8 Nm、12 Nm、16 Nm和20 Nm。

5.1 隔振器静、动态性能测试结果

在钢片弧度以及钢片压紧螺栓预紧力两种参数下,共12组试件分别进行了静态性能以及动态性能测试,以下为测试及分析结果。

(1) 静态性能测试结果。按照预先设计的测试方法,得到各试件静态条件下的力、位移数据,根据公式(1)计算出各试件的静刚度值,见表2。

表2 不同参数下的各试件静刚度值

(2) 动态性能测试结果。对于动态性能测试,先在试验机上对试件进行了扫频测试,频率范围取0～30 Hz往复,对得到的振动加速度原始数据进行频谱分析,从中可发现,在21～24 Hz之间出现了明显的峰值点,如图6所示,在此频率段前后振动幅值均会急剧下降,可知其峰值点的频率即为其共振频率。在共振频率上进行动态加载得到共振迟滞回线。根据公式(3)及(4)计算出各试件的动刚度值Ks以及阻尼比ξ,结果见表3和表4。

表3 不同参数下的各试件动刚度值

表4 不同参数下的各试件阻尼比

5.2 隔振器钢片弧度及预紧力对其性能参数的影响分析

根据测试和计算结果可以看到,钢片弧度及预紧力矩对试件静刚度值、动刚度值、阻尼比以及动静刚度比都有一定的影响。

通过以上数据对比分析可知:此叠层钢片隔振器性能参数静刚度、动刚度与钢片弧度成反比,与预紧力矩成正比;预紧力矩在达到一定值时(大于8 Nm)对阻尼比影响较小,钢片弧度与阻尼比成正比;另外,预紧力矩对平钢片的动、静刚度比无明显影响,而预紧力矩与带弧度钢片的动、静刚度比成正比;钢片弧度与试件的动、静刚度比成正比。

5.3 隔振器隔振效果分析

表5 隔振试验结果

6 结论

(1) 叠层钢片隔振器动、静态的承载能力较大,承载范围较宽,随着钢片弧度的减小及预紧力矩的增大隔振器的刚度也变大。

(2) 平钢片预紧力矩超过12 Nm时,刚度值上升缓慢,带弧度钢片在预紧力矩超过16 Nm时刚度值增大幅度较大,而在16 Nm之前变化不大。

(3) 由于钢片弧度的增大,阻尼比也会响应增大。

(4) 隔振器工作频率与共振频率比大约在2.9～3.4之间,符合隔振原理中通常所使用的频率比,在频率比大于1.414时,虽然减小阻尼对降低振动传递率是有利的,但是为了使结构安全通过共振区应当考虑保持一定的阻尼比。

(5) 叠层钢片隔振器隔振效果较好,在测试条件下,其振动量级衰减可达60%以上。

(6) 将平板的静刚度计算值与测试结果进行对比,结果表明计算值与测试值之间的误差在30%以内。

References)

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[13] 朱石坚,楼京俊.振动理论与隔振技术[M]. 北京: 国防工业出版社,2006:75.

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

国家自然科学基金项目(51209046)；多体船国防重点学科实验室基金资助(HEUDTC1405)

谢耀国(1982—),男,黑龙江尚志,博士研究生,讲师,主要研究领域为船舶结构动力学分析及测试技术.

E-mail:xieyaoguo@hrbeu.edu.cn

U661.43

A

1002-4956(2015)- 0046- 05