金屬簧片阻尼隔振器性能分析

王東衡，石秀東

(江南大學 機械工程學院，無錫 214122)

金屬簧片阻尼隔振器性能分析

王東衡，石秀東

(江南大學 機械工程學院，無錫 214122)

建立了金屬簧片隔振器振動系統的動力學模型，通過有限元計算得出摩擦力曲線，進一步采用動力學方程研究了系統在簡諧激勵和沖擊激勵下的響應。結果表明:電子機柜采用該隔振器，能使最大加速度降低72%，說明該隔振器具有良好的減振隔振和抗沖擊性能，為干摩擦隔振器優化設計提供了理論依據。

隔振器;干摩擦阻尼;動態特性;非線性振動

在非線性振動研究領域，含有干摩擦環節的隔振、抗沖擊隔振器能提供強的非線性阻尼，并能夠有效的實現、控制和維修，其可靠性高。對于含干摩擦阻尼隔振減振系統的研究，國內外學者都進行了一定的研究，張強星等對干摩擦振動系統進行了簡化，給出了非線性系統的響應計算［1］。顏肖龍等對含干摩擦振動系統的“無諧振”振動隔離進行了研究［2］。白鴻柏、黃協清等［3－4］對干摩擦振動系統在簡諧激勵和穩態Gaussian白噪聲激勵下的響應計算進行了研究，并對干摩擦模型和基于相應模型的響應計算方法進行了詳細的綜述［5］。周桐、萬葉青等［6－7］對含干摩擦阻尼的鋼絲繩隔振器進行了研究和分析。夏宇宏等對含干摩擦阻尼的金屬橡膠隔振器進行了長期研究［8］。Liang、Wu、Oliveto等［9－12］基于干摩擦阻尼振動系統參數辨識進行了研究。Rigaud等［13］設計了干摩擦振動試驗，在振動試驗中考慮了粘性阻尼、干摩擦阻尼和彈性恢復力，動、靜摩擦因數的不同，但動、靜摩擦因數之間是與速度有關的線性關系。本文研究的金屬簧片隔振器是用于艦載電子機柜的減振和抗沖擊，主要從提高減振器隔振緩沖效果出發，研究和分析了其動態特性以及對其動態特性影響的主要結構，對于保證在惡劣環境下艦載設備系統的可靠性，具有重要的現實意義。

1 金屬簧片隔振器力學分析

金屬簧片隔振器的結構見圖1，圖中:A中心柱、B帽蓋、C結構阻尼片、D阻尼片、E底座、F底槽座、G彈簧。阻尼片的底部由底座槽約束固定，上端與結構阻尼片約束，工作時機柜置于中心柱之上，與中心柱螺栓連接。隔振系統的剛度主要由金屬彈簧和阻尼片提供，垂向剛度由金屬彈簧和阻尼片提供，橫向剛度由阻尼片提供，金屬彈簧為圓柱螺旋彈簧是線性彈簧。系統阻尼主要為干摩擦阻尼和粘性阻尼。

阻尼片帶有弧形結構，具有幾何非線性特性。本文采用有限元法求解簧片阻尼片與中心柱之間的相互作用力。利用LS－DYNA程序建立金屬簧片隔振器動力學有限元分析模型(見圖3)，各組件均采用Solid164(8節點6面體單元)，單元屬性設為常應變;各組件的材料模型和具體屬性參數見表1［14］。

表1 單元類型和材料屬性Tab.1 Element type and material properties

在本計算模型中，各界面接觸均采用自動的面對面接觸算法(AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE CONTACT)。在定義界面接觸參數時，中心柱與阻尼片接觸界面靜摩擦系數為0.25，動摩擦系數為0.2，其它接觸對靜動摩擦系數均為0.15，同時接觸剛度和接觸深度參數定義為0.1和0。

圖4是有限元分析得到中心柱與阻尼片摩擦接觸力Ffc與y的關系圖。圖中星點是計算數據，實線是擬合曲線。由圖可以看出:曲線中間比較平坦，兩邊比較陡，說明當中心柱處于阻尼片中間位置時，相互作用的正壓力較小，產生的摩擦阻尼也較小;當中心柱移動到阻尼片兩端時，正壓力急劇增大，兩者產生的摩擦阻尼同時急劇增大，能最大限度的消耗沖擊能量。

由金屬簧片阻尼隔振器特點，激勵幅值較小時，阻尼片與中心柱之間靜摩擦力較大，使二者不能產生相對運動，而不產生峰值共振。當激勵幅值較大或遭受強沖擊時，阻尼片兩端提供強滑動摩擦阻尼，能有效抑制共振峰值。由以上分析表明，這種帶曲率的阻尼片耦合干摩擦阻尼，在小載荷激勵下，將具有好的隔振傳遞率，在遭受大沖擊時具有強阻尼，能有效的起到抗沖擊作用。

2 金屬簧片阻尼隔振器動態特性分析

2.1 金屬簧片阻尼隔振器在簡諧激勵下動態分析

金屬簧片隔振器，其動態特性主要由振動系統剛度、阻尼、外界激勵及預載荷決定。建立隔振系統的力學模型見圖5，此動力學模型的振動微分方程如下:

圖6表明，激勵力幅值較小時，阻尼片中間段提供弱阻尼，隔振系統經過幾個周期進入穩定狀態，隔振系統具有好的振動傳遞率。圖7表明，當激勵力幅值較大時，由第一個周期位移響應曲線可以看出，阻尼片在強激勵時能提供強的干摩擦阻尼，使隔振系統很快進入穩定狀態。初始時刻，隔振系統位移響應的頻率和幅值變化劇烈，到穩態時其位移幅值和響應頻率基本保持不變。對照圖6、圖7，相同激勵頻率但激勵力幅值不同時，由于阻尼片提供強非線性干摩擦阻尼，隔振系統位移響應幅值不成線性增加，強激勵位移響應峰值比弱激勵位移響應峰值延后。

2.2 金屬簧片阻尼隔振器在沖擊激勵下動態分析

有限元法和動力學理論結合，可以有效解決沖擊動力學問題。把方程(1)變換成標準的動力學方程:

采用有限元法求解動力學中的接觸摩擦問題，要考慮材料的屈服失效。因此按以下方式定義摩擦力［15］:fn為從節點ns的法向屈服力，則最大摩擦力為為摩擦系數。設在上一時刻tn從節點ns的摩擦力為Fn，則此時刻tn+1可能的摩擦力(試探摩擦力)為F*=Fn－kΔα，k為界面剛度，Δα為從節點移動增量，此時刻的摩擦力按公式(5)確定。

綜合各種非線性因素，利用顯示中心差分法，通過有限元迭代計算隔振系統沖擊響應。本文金屬簧片隔振器承載電子機柜為40 kg，圖8是某一次實測的艦船在受水雷襲擊時艦體給機柜的加速度沖擊激勵，其最大加速度峰值向上是43 g，向下是77 g。圖9是采用金屬簧片隔振器后，利用有限元法計算上述等效激勵作用到機柜上的加速度響應。從圖中可以看出，通過金屬簧片隔振器減振隔振，使作用到機柜上的最大加速度向上降至12 g，向下降至21 g(g為重力加速度單位)。說明該金屬簧片隔振器的減振隔振效果明顯，特別是在遭受大沖擊時，具有優良的抗沖擊性能。

3 結束語

本文建立了金屬簧片隔振器承載電子機柜時的動力學模型，結合實體有限元法，分析了該非線性力學模型的動態特性，探索了一種金屬簧片隔振器動態特性的分析方法;分析了隔振系統簡諧激勵時不同激勵力幅下的位移響應，以及沖擊激勵下的加速度響應。結果表明:電子機柜采用金屬簧片隔振器減振隔振后，在測試沖擊下，能使向上最大峰值沖擊加速度響應降為原來的27.9%，向下最大峰值沖擊加速度降為原來的27.3%，說明金屬簧片隔振器具有優良的減振隔振和抗沖擊性能。本文的研究為干摩擦隔振器動態參數優化及進一步實驗研究提供了理論依據。

［1］張強星，Sainsbury M G.干摩擦振動系統的簡化［J］.振動與沖擊，1987，6(1):42 －58.

［2］顏肖龍，張以彬，等.無諧振隔振原理的理論分析與應用［J］.東南大學學報，1998，28(4):128 －132.

［3］白鴻柏，黃協清.干摩擦振動系統響應計算方法研究［J］.振動工程學報，1998，11(4):472 －475.

［4］白鴻柏，黃協清.干摩擦振動系統隨機激勵響應Krylow_Bogoliubow計算方法［J］.振動與沖擊，2000，19(2):83－85.

［5］白鴻柏，黃協清.干摩擦振動系統響應計算方法研究綜述［J］.力學進展，2001，31(4):527 －534.

［6］周 桐，劉青林.鋼絲繩隔振系統簡化模型分析［J］.振動與沖擊，2007，26(9):55 －59.

［7］萬葉青，范立民，等.鋼絲繩隔振器非線性特性分析［J］.振動與沖擊，2007，26(7):46 －49.

［8］夏宇宏，姜洪源，等.金屬橡膠隔振器抗沖擊性能研究［J］.振動與沖擊，2009，28(1):72 －75.

［9］Liang J W.Identifying Coulomb and viscous damping from free-vibration acceleration decrements［J］.Journal of Sound and Vibration，2005，282:1208 －1220.

［10］ Liang J W.Damping estimation via energy-dissipation method［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，307:349 －364.

［11］ Wu Z，et al.Identification of non-linear viscous damping and Coulomb friction from the free response data［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，304:407 －414.

［12］ Oliveto N D，Scalin G，Oliveto G，et al.Dynamic identification of structural systems with viscous and friction damping［J］.Journal of Sound and Vibration，2008，318:911 －926.

［13］ Rigaud E，et al.An original dynamic tribotest to discriminate friction and viscous damping［J］.Tribol Int(2009)，DOI:10.1016/j.triboint.2009.06.011.

［14］胡德羅，胡小舟.現代工程材料手冊［M］.北京:宇航出版社，1992.

［15］ Hallquist J O.LS-DYNA theory manual［M］.Liver-more:Livermore Software Technology Corporation，2006.

System performance analysis for a metal plate spring vibration isolator

WANG Dong-heng，SHI Xiu-dong

(School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

Dynamic model of a metal plate spring vibration isolator system was built up.The friction force curve was calculated using finite element method.Through calculating the dynamic equation，the responses of the system under different harmonic exciting forces and impacts were studied.The results indicated that when an electronic cabinet is placed on the isolator，the system maximum acceleration reduces by 72%;the metal plate spring vibration isolator has good vibration damping and impact-resistance performance.This study provided a theoretical basis for optimal design of dry friction absorbers.

vibration isolator;friction damper;dynamic performance;nonlinear vibration

O322;TH113.1

A

2009－12－30 修改稿收到日期:2010－03－31

王東衡 男，碩士生，1983年12月生