艦船機電設(shè)備非線性沖擊響應(yīng)研究

陳佶

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在艦船機電設(shè)備上安裝非線性沖擊緩沖元件成為保護(hù)機電設(shè)備安全運行的重要手段。隔振器作為緩沖元件之一，成為機電設(shè)備保護(hù)裝置設(shè)計與開發(fā)的重點。在設(shè)計隔振器時，要運用理論建模方法計算出沖擊響應(yīng)效果，確保隔振器受到碰撞時能夠快速發(fā)展位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)，最大程度減小對機電設(shè)備自身的沖擊破壞。

1 艦船機電設(shè)備非線性沖擊

1.1 沖擊隔離

在研究艦船機電設(shè)備非線性沖擊前要分析沖擊環(huán)境，沖擊環(huán)境是在短時間內(nèi)突然產(chǎn)生的擾動，包括沖擊速度、沖擊加速度和沖擊位移。艦船受到?jīng)_擊后，快速傳遞動能，呈現(xiàn)出非周期性的瞬態(tài)運動。沖擊產(chǎn)生的瞬態(tài)運動具有不規(guī)則、波形復(fù)雜的特點，在理論研究領(lǐng)域，需將復(fù)雜的波形轉(zhuǎn)化為性狀規(guī)則的脈沖波形，如倒正弦波、鋸齒波、矩形波、半正弦波等。強烈沖擊波在對船舶機電設(shè)備產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊時先將能量存儲在隔振器中，導(dǎo)致隔振器瞬間變形，之后再以緩和的形式發(fā)生固定振動，釋放出隔振器能量，達(dá)到緩沖保護(hù)機電設(shè)備的目的。沖擊隔離器在處理沖擊能量時，需快速響應(yīng)沖擊作用力，在沖擊釋放時間較長的情況下會放大沖擊，沖擊隔離傳遞效率如圖1 所示。

圖1 艦船機電設(shè)備沖擊隔離傳遞效率示意圖Fig.1 Schematic diagram of shock isolation transmission efficiency of marine electromechanical equipment

1.2 非線性沖擊響應(yīng)計算

非線性沖擊隔振器主要用于緩沖瞬間沖擊力對艦船機電設(shè)備帶來的影響，要求隔振器具備緩沖和隔振功能，能夠平衡處理傳遞加速度與物理位移之間的關(guān)系。非線性隔振器的剛度特性如圖2 所示。

圖2 非線性沖擊隔振器的剛度特性Fig.2 Stiffness characteristics of nonlinear impact isolator

非線性隔振器分為多種類型，包括正切彈性隔振器、雙曲正切彈性隔振器、雙線性剛度隔振器、多項式彈性隔振器、翹曲剛度特性隔振器等。不同隔振器適用于不同的非線性沖擊響應(yīng)條件，包括：正切彈性隔振器采用漸硬隔振器剛度特性描述突然觸碰底部后產(chǎn)生的最大位移量；雙曲正切彈性隔振器用于描述機電設(shè)備表層受到起始剛度作用時產(chǎn)生的位移變化；通過減少在塑性范圍內(nèi)的屈服，進(jìn)而起到降低機電設(shè)備受物體沖擊力的影響；多項式彈性隔振器運用冪指數(shù)計算平方彈性和立方彈性，描述機電設(shè)備在漸硬狀態(tài)下的連續(xù)變化；翹曲剛度特性隔振器將剛度曲線描述為S 型，采用數(shù)值積分法處理數(shù)據(jù)。不同類型的非線性沖擊隔振器采用不同的算法模型，以正切彈性隔振器為例，其函數(shù)表達(dá)式為：

式中：為初始剛度；δ為最大允許變形。在艦船機電設(shè)備沖擊中，非線形沖擊以速度沖擊激勵為主，受沖擊影響，隔振器最大變形量為 δ，機電設(shè)備最大位移量為，最大傳遞力F的函數(shù)表達(dá)為：

由圖3 可知，正切彈性隔振器在非線性沖擊下的位移響應(yīng)較小，加速度響應(yīng)較大，為保證滿足艦船機電設(shè)備的非線性沖擊響應(yīng)要求，對正切彈性隔振器的隔離系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，計算出加速度響應(yīng)的最小值。在優(yōu)化設(shè)計隔振器時，要充分考慮設(shè)備受到的沖擊力最大允許值范圍，控制設(shè)備與隔振器之間的位移量。

圖3 非線性沖擊下正切彈性隔振器無阻尼隔離系統(tǒng)對沖擊加速度和位移響應(yīng)曲線圖Fig.3 Response curve of non damping isolation system of tangent elastic isolator to impact acceleration and displacement under nonlinear impact

1.3 非線性緩沖元件設(shè)計

隔振器是艦船機電設(shè)備非線性沖擊保護(hù)中的重要緩沖元件，在設(shè)計隔振器時要滿足以下要求：隔振器具有摩擦剛度特性，在沖擊力較小的情況下，沖擊力作用到隔振器上，此時機電設(shè)備能夠受到安全載荷的保護(hù)。當(dāng)沖擊力較大的情況下，隔振器無法完全隔離沖擊力作用，此時機電設(shè)備出現(xiàn)相對位移；隔振器3 項剛度滿足水下爆炸對艦船機電設(shè)備的三向沖擊激勵作用，尤其對于橫向剛度而言，需滿足隔離沖擊力的要求；隔振器設(shè)計要將阻尼比控制在0.24～4.0 之間，阻尼比過大會增加隔振器對沖擊力的傳遞，阻尼比過小會降低隔振器的能量消耗，弱化緩沖效果；隔振器設(shè)計要保證3 個方向的阻隔沖擊強度足夠大，當(dāng)沖擊能量消耗較大時，需要承受強雷的沖擊，要求隔振器具備剛度軟化特性。

本文提出的艦船機電設(shè)備非線性沖擊隔離器要滿足響應(yīng)速度的要求，為此采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計新型抗沖擊的電控隔振器，配合加速度傳感器一同使用，能夠在發(fā)生非線性沖擊力一瞬間通過加速度傳感器快速采集到相關(guān)信息，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練傳輸?shù)诫娍馗粽衿魃希瑢崿F(xiàn)最短時間內(nèi)的隔沖性能配置。當(dāng)非線性沖擊力波及到船體時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能夠快速計算出爆炸載荷的力度和方向，調(diào)整隔振器參數(shù)信號，控制隔振器作出瞬時響應(yīng)。

2 艦船機電設(shè)備非線性沖擊響應(yīng)的理論建模

2.1 理論建模坐標(biāo)

在建立艦船機電設(shè)備非線性抗沖擊響應(yīng)的理論模型時引入動力學(xué)方程，采用隆格-庫塔法計算數(shù)值，利用仿真實驗軟件編寫非線性沖擊響應(yīng)計算程序，用于分析不同類型隔振器、不同沖擊激勵等試驗條件下的機電設(shè)備非線性沖擊響應(yīng)效果。將艦船機電設(shè)備視為剛體，受艦船結(jié)構(gòu)的限制，各類型剛體安裝呈無規(guī)則狀態(tài)，無法找到剛體的質(zhì)量分布中心，使得安裝以非對稱性形式為主。在建立模型坐標(biāo)系時滿足以下要求：在剛體處于靜止?fàn)顟B(tài)，隔振器未發(fā)生變形時取慣性坐標(biāo)的原點，即剛體重心；以剛體重心為原點，構(gòu)建正交坐標(biāo)系，形成連體基座；計算出姿態(tài)坐標(biāo)，將剛體與隔振器的固結(jié)點作為軸向拉力點，垂直徑向建立連體基，運用有限轉(zhuǎn)動四元素法將坐標(biāo)變換成矩陣。

2.2 開發(fā)非線性沖擊響應(yīng)計算程序

在仿真實驗軟件中輸入基本參數(shù)，包括機電設(shè)備質(zhì)量、設(shè)備慣性矩等參數(shù)，使安裝設(shè)備盡量趨于直角平行六面體，慣性矩趨于0，離心力矩設(shè)置為0。慣性主軸重合于設(shè)備結(jié)構(gòu)，上述實驗條件同樣適用于不對稱結(jié)構(gòu)的機電設(shè)備。在機電設(shè)備上安裝隔振器，安裝方向為靜態(tài)彈性力方向，軸向拉力呈位移曲線狀態(tài)，分別向2 個方向施加推力。本次實驗選用的隔振器3 個方向與沖擊力頻率相關(guān)。沖擊方向分別設(shè)置為90°，90°和0°，即垂直沖擊方向。沖擊形式利用加速度時間歷程方程表示，引入半正弦和衰減正弦函數(shù)，利用已知的加速度最大值、固有振動頻率和對數(shù)衰減率計算出沖擊載荷。將單個時間與對應(yīng)的基礎(chǔ)加速度輸入到仿真軟件中，得出基礎(chǔ)沖擊激勵值，按照指數(shù)函數(shù)的計算程序計算出沖擊起始時間、結(jié)束時間，評估非線性沖擊響應(yīng)效率。

本文提出構(gòu)建NLRC 計算程序，程序包含以下內(nèi)容：主程序MAIN，賦初始變量值，調(diào)用其他程序執(zhí)行主程序；子程序DATAIN 是從輸入文件中讀出設(shè)備參數(shù)、隔振器參數(shù)和沖擊載荷參數(shù)，構(gòu)建質(zhì)量矩陣，轉(zhuǎn)變成坐標(biāo)矩陣，用于查看輸入?yún)?shù)是否存在錯誤；子程序SUBA，計算隔振器靜變形和系統(tǒng)響應(yīng)需求。計算靜變形時調(diào)用SUB6，SUB7 和SUB8 子程序，采用二分法計算出隔振器的變形量，計算出子程序SUB7 的力矩和返回加速度；子程序SUB9，SUB10 用于計算響應(yīng)求解，輸出結(jié)果；子程序DATAOUT 控制結(jié)果輸出，通過調(diào)用子程序SUB11 轉(zhuǎn)換成文本文件OUT，得出機電設(shè)備在時域范圍內(nèi)的變形速度、位移、沖擊頻率和加速度響應(yīng)最大值。

2.3 不同隔振器的響應(yīng)結(jié)果比較

按照上述實驗條件，對不同特性的隔振器響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析，假設(shè)機電設(shè)備質(zhì)量為150 kg，3 個方向的轉(zhuǎn)動慣量分別為3.2 kg·m，6.25 kg，0，隔振器的靜態(tài)彈性力—位移特性實驗數(shù)據(jù)為：當(dāng)位移為2 mm，6 mm，10 mm，14 mm，18 mm，22 mm，26 mm，30 mm 時，彈性力分別為0.24 kN，0.55 kN，0.76 kN，0.95 kN，1.06 kN，1.15 kN，1.22 kN，1.32 kN。隔振器編號1的，，軸向的安裝數(shù)據(jù)為0，-250 mm，-38.5 mm；隔振器編號2的，，軸向的安裝數(shù)據(jù)為250 mm，125 mm，-38.5 mm；隔振器編號3的，，軸向的安裝數(shù)據(jù)為-250 mm，150 mm，-38.5 mm。沖擊形式為半正弦波沖擊激勵取10.3 g，12 ms，頻率參數(shù)取0.04，0.06，0，1。垂直安裝隔振器，當(dāng)受到垂直方向的非線性沖擊時，非線性沖擊隔振器靜態(tài)力位移響應(yīng)曲線圖如圖4 所示，非線性沖擊隔振器靜態(tài)力加速度響應(yīng)曲線圖如圖5 所示。

圖4 非線性沖擊隔振器靜態(tài)力位移響應(yīng)曲線圖Fig.4 Static force displacement response curve of nonlinear impact isolator

圖5 非線性沖擊隔振器靜態(tài)力加速度響應(yīng)曲線圖Fig.5 Static force acceleration response curve of nonlinear impact isolator

本次實驗采用3 種不同剛度特性的隔振器進(jìn)行實驗，實驗數(shù)據(jù)如下：漸軟特性隔振器靜變形-5.15 mm，重心偏移最大值為22.258 mm，重心速度最大值為0.357 4 m/s，重心加速度最大值為1.578 g；漸硬特性隔振器靜變形-20.62 mm，重心偏移最大值為21.224 mm，重心速度最大值為0.117 m/s，重心加速度最大值為4.125 g；直線特性隔振器靜變形-4.58 mm，重心偏移最大值為16.578 mm，重心速度最大值為0.541 m/s，重心加速度最大值為3.127 g。由此可見，漸硬特性隔振器的非線性沖擊響應(yīng)效果最佳。

2.4 不同沖擊激勵下的響應(yīng)結(jié)果比較

采用上述仿真實驗條件，將沖擊持續(xù)時間改為8 ms，沖擊激勵形式采用衰減正弦波，機電設(shè)備非線性沖擊下的位移響應(yīng)曲線如圖6 所示，機電設(shè)備加速度響應(yīng)曲線圖如圖7 所示。

圖6 基于衰減正弦波沖擊激勵形式下的機電設(shè)備位移響應(yīng)曲線圖Fig.6 Displacement response curve of electromechanical equipment under shock excitation based on attenuated sine wave

圖7 機電設(shè)備加速度響應(yīng)曲線圖Fig.7 Acceleration response curve of electromechanical equipment under shock excitation based on attenuated sine wave

在實驗軟件中輸入底座激勵數(shù)據(jù)[0，0，6，100.12，41，0]，計算出不同沖擊激勵波形的機電設(shè)備重心響應(yīng)數(shù)據(jù)，具體包括：半正弦12 ms 沖擊激勵下重心偏移最大值為22.287 mm，重心速度最大值為0.3571 m/s，重心加速度最大值為1.865 4 g；半正弦8 ms沖擊激勵下重心偏移最大值為15.548 mm，重心速度最大值為0.449 m/s，重心加速度最大值為1.351 8 g；半正弦16 ms 沖擊激勵下重心偏移最大值為29.657 mm，重心速度最大值為0.809 5 m/s，重心加速度最大值為2.263 5 g；衰減正弦沖擊激勵下重心偏移最大值為9.277 9 mm，重心速度最大值為0.321 6 m/s，重心加速度最大值為0.924 3 g；三角波形沖擊激勵下重心偏移最大值為17.242 mm，重心速度最大值為0.514 4 m/s，重心加速度最大值為1.557 5 g。由此可見，半正弦16 ms沖擊響應(yīng)效果最佳。

3 結(jié) 語

艦船機電設(shè)備要安裝非線性沖擊隔振器，以維護(hù)機電設(shè)備運行環(huán)境安全，減少爆炸沖擊力對機電設(shè)備造成的破壞。在隔振器設(shè)計開發(fā)中，要考慮到彈性變形和阻尼影響因素，采用漸硬特性隔振器，運用理論模型對計算程序正確性進(jìn)行驗證，確定最終安裝位置，以達(dá)到最佳的非線性沖擊響應(yīng)效果。