基于ADAMS建模的浮筏隔振系統(tǒng)仿真研究

季夏名

摘 要：利用ADAMS軟件與有限元軟件相結(jié)合，建立剛?cè)狁詈细》じ粽裣到y(tǒng)模型。文章以功率流作為浮筏隔振系統(tǒng)的性能評價(jià)指標(biāo)，研究了該模型在不同參數(shù)條件下的隔振性能，并與理論仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了模型的可靠性。對于構(gòu)建復(fù)雜筏架的浮筏系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：剛?cè)狁詈希桓》じ粽裣到y(tǒng)；功率流；建模

引言

目前，浮筏隔振系統(tǒng)已經(jīng)成為艦船動力設(shè)備的重要隔振手段，它與一般的隔振系統(tǒng)相比更能節(jié)省空間和中間質(zhì)量，同時(shí)結(jié)構(gòu)更加緊湊，此外浮筏隔振系統(tǒng)具有優(yōu)良的減振降噪效果，從而有效地增強(qiáng)水下艦艇的隱蔽性與舒適度。對于浮筏隔振裝置的理論與試驗(yàn)研究是近年來隔振領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-4]。浮筏是將包括主機(jī)在內(nèi)的多臺重型設(shè)備安裝在同一筏架上，因而它是具有多個(gè)激勵(lì)源的隔振系統(tǒng)，其筏架及基礎(chǔ)板的載重大，幾何尺寸也較大，要真實(shí)反映出浮筏隔振系統(tǒng)的動力學(xué)特性，剛?cè)狁詈戏治霰夭豢缮佟Ｍ瑫r(shí)作為一個(gè)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，其隔振效果的評估方法也需要進(jìn)一步研究。

振動的傳遞主要就是能量的傳遞，從能量角度研究振動問題更能反映問題的本質(zhì)。功率流作為一個(gè)反映能量的物理量，可以作為一個(gè)綜合性能指標(biāo)，它兼顧了力和速度的信息，給出了振動傳遞的一個(gè)絕對度量的物理量。對于浮筏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有更有利的指導(dǎo)意義。

同時(shí)，由于艦船隔振系統(tǒng)較為大型，想要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究比較困難，成本昂貴，所以在理論設(shè)計(jì)階段既需要理論分析，又要進(jìn)行相關(guān)的軟件仿真，從而實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證理論解和降低實(shí)驗(yàn)成本的目標(biāo)。對于浮筏系統(tǒng)的仿真研究以Patran等有限元軟件和Autosea統(tǒng)計(jì)能量軟件為主，但大量的研究證明[5-7]：一方面，有限元方法主要針對單獨(dú)結(jié)構(gòu)中的靜力和動力學(xué)問題，無法滿足多體剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的建模分析要求；另一方面，有限元方法適用于低頻段，統(tǒng)計(jì)能量法適用于高頻段，可是沒有統(tǒng)一的方法能夠?qū)χ虚g頻段進(jìn)行研究分析。因此，本文考慮通過ADAMS軟件與有限元軟件結(jié)合，建立剛?cè)狁詈细》じ粽裣到y(tǒng)模型，以功率流為評價(jià)指標(biāo)計(jì)算不同參數(shù)條件下的振動特性，并將仿真結(jié)果與理論解進(jìn)行對比分析。

1 浮筏隔振系統(tǒng)動力學(xué)模型及其功率流導(dǎo)出

對于工程中常見的浮筏隔振裝置，其模型如圖1所示，包括兩臺機(jī)組、梁式筏架以及四邊簡支的彈性基礎(chǔ)，兩個(gè)剛性機(jī)組分別通過兩個(gè)上層隔振器安裝在彈性筏架上，然后筏架再通過兩個(gè)下層隔振器安裝在彈性基礎(chǔ)上。可以將整個(gè)浮筏隔振系統(tǒng)分為5個(gè)子系統(tǒng)，分別為（ⅰ）機(jī)組子系統(tǒng)A，（ⅱ）上層隔振器B，（ⅲ）中間筏架子系統(tǒng)C，（ⅳ）下層隔振器D，（ⅴ）基礎(chǔ)子系統(tǒng)E。兩臺機(jī)組分別受到來自y方向和z方向的簡諧激勵(lì)力以及x方向的傾覆力矩作用。

圖1 浮筏隔振系統(tǒng)動力學(xué)模型

圖2 各子系統(tǒng)之間力與速度的傳遞關(guān)系

用 分別表示各個(gè)子系統(tǒng)A，B，C，D的上、下端輸入輸出力，而 分別對應(yīng)了他們上下端的輸入輸出速度。對應(yīng)彈性基礎(chǔ)E受到的力與響應(yīng)速度分別記為FE和VE。 分別為各子系統(tǒng)的導(dǎo)納傳遞矩陣元素。圖2表示了各子系統(tǒng)之間力與速度的傳遞關(guān)系。各子系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣推導(dǎo)過程詳見文獻(xiàn)[8，9]。

浮筏隔振系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的傳遞力以及相應(yīng)的速度之間的關(guān)系如下：

根據(jù)上式以及各子系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣相關(guān)表達(dá)式，可以得到各交接處力與速度有關(guān)于外激勵(lì)的表達(dá)式為

其中

輸入各子系統(tǒng)的功率流PA，PB，PC，PD，PE分別可以表示為

式中，上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置。

2 基于剛?cè)狁詈细》じ粽裣到y(tǒng)建模

該模型是在ADAMS/View模塊中建立的，它是ADAMS核心模塊之一。用戶可以像建立物理樣機(jī)一樣建立任何機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，而后對其進(jìn)行模擬仿真，并能以動畫形式觀察主要的數(shù)據(jù)變化以及模型的運(yùn)動，就像做實(shí)際的機(jī)械系統(tǒng)試驗(yàn)一樣。

圖3 浮筏隔振系統(tǒng)ADAMS模型

如圖3所示，其中柔性基礎(chǔ)簡化為四邊簡支的板，而筏架為四邊自由的柔性板。隔振器簡化為彈簧阻尼器，其彈簧剛度與阻尼系數(shù)可以通過編寫函數(shù)來確定，能很方便的實(shí)現(xiàn)隔振器的線性與非線性特性。

在ADAMS中對柔性體的處理采用了有限元法與模態(tài)分析法相結(jié)合的方法。先由有限元軟件ansys對柔性體進(jìn)行模態(tài)分析，生成.mnf文件，利用ADAMS/Flex模塊將此文件調(diào)入ADAMS中以生成模型中的柔性體，利用模態(tài)疊加法計(jì)算其在動力學(xué)仿真過程中的變形及連接節(jié)點(diǎn)上的受力情況，這樣可以在機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)模型中引入柔性體，提高系統(tǒng)仿真精度。

ADAMS軟件中帶有振動分析模塊ADAMS/Vibration，利用該模塊，可以對模型進(jìn)行頻域分析。

3 浮筏隔振系統(tǒng)計(jì)算及仿真分析

建立ADAMS浮筏隔振系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型如圖3所示，A子系統(tǒng)為剛性質(zhì)量塊，考慮到結(jié)構(gòu)重心的調(diào)配，所以設(shè)定為兩臺相同的機(jī)組，并且將它們相對于筏架進(jìn)行對稱分布；B子系統(tǒng)為連接機(jī)組與筏架的隔振器，共兩組，每組四個(gè)；此處C子系統(tǒng)為柔性板式筏架，自由邊界；D子系統(tǒng)為筏架和基礎(chǔ)板間的隔振器，共四個(gè)，對稱分布；E子系統(tǒng)為柔性基礎(chǔ)板，四邊簡支。樣機(jī)具體物理參數(shù)見表1。

除前六階剛體模態(tài)，各取筏架及基礎(chǔ)板前八階彈性振動模態(tài)，基準(zhǔn)功率流為pref=10-12watt。

圖4（a）與（b）分別為ADAMS建模與理論解在機(jī)器質(zhì)量改變時(shí)，傳遞到基礎(chǔ)的功率流變化情況。從圖中可以看出，它們的共同點(diǎn)是增大機(jī)器質(zhì)量系統(tǒng)的剛體運(yùn)動模態(tài)向低頻域偏移，并使得傳遞到基礎(chǔ)的功率流曲線在中、高頻域整體下移。兩種仿真結(jié)果均表明：增大機(jī)器質(zhì)量有利于減少輸入基礎(chǔ)的功率流，提高系統(tǒng)的減振效果。

a） ADAMS建模仿真

b） 理論建模仿真

圖4 機(jī)器質(zhì)量對輸入基礎(chǔ)功率流的影響

4 結(jié)束語

首先，從仿真圖中可以看出在低頻域，浮筏隔振系統(tǒng)的減振效果欠佳，當(dāng)激勵(lì)力頻率超過20Hz以后，系統(tǒng)功率流發(fā)生明顯下降，大幅提升隔振降噪效果。所以，浮筏隔振系統(tǒng)在中、高頻域有很好的減振效果。

在相同的結(jié)構(gòu)形式以及激勵(lì)條件下，增大機(jī)器質(zhì)量可以讓剛體運(yùn)動模態(tài)向低頻域偏移，并使得傳遞到基礎(chǔ)的功率流曲線在中、高頻域整體下移，有利于減少輸入到基礎(chǔ)的功率流。但同時(shí)也得注意過大的機(jī)器質(zhì)量會增大結(jié)構(gòu)，而艦船的空間載重是有限的，所以也不能一味的增加機(jī)器質(zhì)量。

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