船舶輔機雙層半主動非線性隔振系統振動特性分析

劉正華 陳桃

[摘? ? ? ? ? ?要]? 經濟和科技的飛速發展對現階段的各行各業都產生了非常大的影響，尤其如航空航天、船舶潛艇等現代器械都在悄悄地改變著人們的生活。同時隨著這部分現代器械對我們生活的重要性逐漸增強，我國不得不提升對這部分現代器械內部核心設備或系統的重視程度，不得不對這部分設備的質量提出更高的要求。

[關? ? 鍵? ?詞]? 船舶輔機;雙層半主動非線性隔振系統;振動特色

[中圖分類號]? U664.5? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）01-0220-02

現代航海設備尤其是軍用航海輪船大多配備了非常多的現代精密儀器、電子設備和武器，尤其是武器在發射之后會形成非常大的沖擊力，這部分沖擊力會對輪船造成非常大的反作用力;再如武器在距離輪船較近區域如海底或者空中發生爆炸，同樣會產生非常大的沖擊力，如果輪船無法有效抵消這部分沖擊力，無疑會對輪船造成非常大的影響，是導致輪船搭載的設備出現故障的主要原因。如何保護這部分儀器，使其免除沖擊力等因素發生故障是保護輪船內設備和儀器正常運行的非常重要的因素。

一、機雙層半主動非線性隔振系統特征

對隔振系統的研究伴隨著我國正式自主造船之后便已經開始了，同時隔振系統的研究也經歷了一個非常長的時間跨度，從最初的單層隔振系統到雙層隔振系統投入使用，歷經了很多人的辛勤結晶。國外有很多專家對于多層隔震系統的理論性能展開了研究，尤其是對于振動相應計算和振動的特性分析都展開了非常詳細的討論，但是多層隔震系統在實踐應用過程中并不是非常完善，尤其是對于船體上廣泛采用的浮閥裝置沖擊計算并不完善，所以尚未將多層格證系統應用在船舶之中。

（一）隔震器的非線性特征

為了達到緩沖和減少船舶所受振動的效果，通常會在很多結構之間安裝金屬橡膠減震器。金屬橡膠減震器是通過金屬橡膠的變形效果和變形之后的恢復效果來達到減少結構之間振動的目的，然而金屬橡膠減震器經實驗證明之后發現該減震器的變形之后恢復效果與金屬橡膠在出現變形時候的幅度有關，也就是說金屬橡膠如果超出了其特定范圍之內的變形，很容易出現無法恢復的情況，而無法恢復的金屬橡膠則無法起到再次為結構減震的效果，所以金屬橡膠具有一定的滯后性。然而這一滯后性的描述方式也就是力在特定環境下的變形效果曲線具有多屬性的特征，例如多值性與變形歷史相關的記憶特性，所以導致該曲線本身是一種非線性曲線，如何對這一曲線進行明確的描述，以更加直觀的方式呈現在我們面前一直都是動力學研究過程中非常困難同時也是急需解決的一大課題。

目前，對于滯后非線性系統的研究重點表現在兩個環節：一是滯后非線性模型的建立，該模型在建立之后能夠對滯后非線性概念進行明確的表述是一種更為直觀的表達方式;二是滯后非線性系統的響應分析，該重點主要研究的是在不同的環境下，滯后非線性系統的動力學響應問題。除此之外多種非線性因素的耦合作用也會對滯后非線性系統的展示方式產生一定影響，如何控制這部分非線性因素，使其能夠更為直觀且準確地表述在滯后非線性系統中同樣成為人們研究的熱點問題。

（二）滯后非線性系統的響應研究

現代計算機技術的出現，對于滯后非線性系統的計算提供了非常有力的手段，尤其是多種非線性因素對于非線性系統的影響和表達方式有了更加直觀和科學的控制手段，該手段的存在對于研究滯后非線性系統動力學，尤其是分叉性與奇異性提供了強有力的手段。尤其是金屬橡膠減震器的材質性分析以及不同材質所自有的恢復的系統和滯后非線性系統與系統共振之間的關系在這一表現方式背景下逐漸成為可能。

（三）船舶機電設備沖擊非線性研究

船舶自身所攜帶的機電設備大多數是精密性非常高的設備，這部分設備在進行船舶主體安裝的過程中必須要考慮到船舶振動效果對于機電設備的影響，所以大多數機電設備在安裝的過程中，尤其是結構與結構之間同樣會安放減震裝置。減震裝置的工作原理同樣是基于非線性系統特征，如何用非線性系統模型對于船舶機電設備沖擊效果進行研究，同樣也是我國一直以來思考的重要課題。一般來講，機電設備所受到的沖擊效果是瞬間產生的，并且在極短距離內機電設備兩者之間發生的振動效果甚至會出現多次和快頻率的現象，導致機電設備內部結構之間的減震裝置會出現變形的情況。減震裝置通過自身緩慢的恢復能力，在受到外界沖擊之后進行緩慢的釋放能量，從而達到變形的效果，也就進一步實現了阻攔沖擊的目的。然而船舶在行駛的過程中受到海浪或者自身能量釋放等因素的影響，導致機電設備內部結構之間的減震裝置所受到的振動情況是高頻率的，在極短的時間內會發生多次振動，而減震裝置自身的恢復能力有限，在受到極大的變形之后需要一定時間來達到恢復的效果如果在這一過程中再次受到較大振動，不但會大大降低減震裝置的減震效果，甚至會對減震裝置的使用壽命產生影響。

如何對減震裝置進行沖擊隔離是提升減震裝置使用壽命非常重要的因素，同時在這一過程中也必須要考慮減震裝置的剛度，一般對于非線性動力學研究的方法非常多包含特殊函數法、攝動法、平均法、點應設法。在所有的方法中應用最為廣泛的，并且能夠對非線性動力學特征進行最為直接表述的是使用數值方法。

二、幾種常見的雙層半主動非線性隔振方式

所謂隔振方法指的是對外部的振動進行有效控制的方式來達到減少振動或者阻礙振動的效果，通常隔振方法主要分為被動控制方法和主動控制方法，其中被動控制方法指的是在系統振動控制過程中刨除外力對于隔振系統的影響。而主動隔振方法則指的是在隔振系統參與阻隔振動的過程中，有外力對于隔振系統進行調節，例如反饋控制投入隔振系統當中，則稱之為主動控制。

（一）被動隔振控制技術

被動隔振控制技術主要指的是在系統進行隔振效果控制的過程中，投入有效阻隔振動的原件，也就是隔震器來達到阻隔振動的效果。被動隔陣控制技術在現代船舶隔振系統構建的過程中發揮著非常廣泛的應用，可以說所有的系統結構在進行連接的過程中，絕大多數都應用了隔振器。隔振器在其中發揮的作用是一種被動的無人力或者機器控制的各種手段，該技術尤其是對于部分控制能力相對較弱或者出現振動頻率較低的部位進行有效控制的方式，能夠有效降低基礎振動的頻率和振動效果。

金屬橡膠隔振器、彈簧隔振器、橡膠隔振器、氣墊隔振器等多種隔振裝置在船舶的結構連接部位發揮著非常重要的作用，當然不同的隔振器所反饋出來的效果也存在一定的區別。例如金屬橡膠隔振器只有結構發生的頻率遠大于結構所能夠承擔的振動效果數倍的情況時，才能夠有效起到矯正的效果;而彈簧隔振器大多數應用于體量相對較大的設備隔振系統，例如重大數百噸的船舶主體隔振效果便廣泛地應用了彈簧隔振器;橡膠隔振器的應用范圍相對較廣泛，因為橡膠本身的彈性相對較強，并且橡膠有著非常便捷的切割能力，能夠充分地應用于部分較小的零部件之間的隔振作用發揮。隔振墊在所有隔振系統中性價比是最高的，因為隔振墊的材質多種多樣，來源于我們生活的軟木結構、毛氈、橡膠墊或者玻璃纖維都可以作為隔振墊，隔振墊在應用過程中的主要優勢在于取材廣泛，成本較低，并且操作起來非常便捷，能夠對部分需要量身定制的連接結構進行有效的裁剪和應用。氣墊隔振器通常是由橡膠材質的充氣結構構成，然而該種隔振器在應用過程中尤其是對于頻率較低的振動所產生的作用非常強，甚至比彈簧隔振器所起到的效果更好。

（二）主動隔振控制技術

主動隔振控制技術是在被動隔振控制技術的基礎上產生的一種新技術，主要是借助計算機技術以及新材料的應用，尤其是計算機技術對各個系統的振動效果進行充分的分析之后，以外力的方式對該部位的隔振裝置進行刺激，從而使其達到快速變形的效果。所以一般主動隔振技術是與被動隔振技術進行搭配使用的，其目的是在于被動隔振系統如果受到較強的外力而無法及時恢復原結構形狀的情況下，所采取的一種主動刺激促使其恢復的手段。

主動隔陣控制技術主要由被動懸置、作動器、傳感器以及控制裝置四部分組成，尤其是傳感器和作動器是整個系統中最為重要的兩個部件，這兩個部件的正常運行效果將對主動隔振控制系統產生直接影響。主動隔振控制技術中，對新材料的應用也非常廣泛，尤其是在新技術背景下所誕生的壓電材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金以及磁流變流體等代表的一大部分類機敏材料是現階段主動隔陣控制系統中應用最為廣泛，并且所取得的效果最好的智能材料。壓電材料憑借其廣泛的應用范圍和低廉的價格，在所有材料中脫穎而出，尤其是對于體型較大的和質量較重的船艙的振動控制有著非同一般的作用;磁致伸縮材料的應用方式相對簡單，相應的應用范圍也有限，主要是對連接結構簡單的機電設備作為輔助位移裝置幫助隔振材料能夠盡快地起到恢復原狀的效果;形狀記憶合金有著非常強的復位能力，尤其是對較大振幅和較快頻率振幅的振動，都有著非常強的應對能力，使用形狀記憶合金能夠有效地起到緩解連接點疲勞和減少結構振動響應的結果。

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編輯 曾彥慧