橡胶隔振器非线性动态特性建模及实验研究

    随着现代电子技术的飞速发展，在机载、舰载、车载等军用、民用系统中对精密仪器的需求越来越多。而精密仪器平台因工作环境复杂，受激频率范围广、时间久，其减振设计要求严格。不同于结构减振可以增强结构强度、延长使用寿命，精密仪器的隔振器减振主要是为保证设备正常工作的性能和精度，是精密仪器减振设计重要组成部分。

    为了抑制设备的有害振动，研究人员进行了大量的工作，提出缓冲隔振、阻尼减振、动力吸振等多种振动控制技术［1］，近年来，在原有成熟的金属、橡胶等隔振器类型基础上发展起来的新型隔振器也层出不穷［2 －4］。虽然有金属橡胶减振器、主动吸振减振器等新型减振器应用于各种精密仪器，但由于技术不成熟、成本高，以及布置空间限制等原因，橡胶隔振器作为成熟的减振装置仍在工程实践中得到广泛采用。

    与一般橡胶隔振器多为大尺寸、重载不同［5 －6］，精密仪器隔振器应用于小载荷、空间减振，具有承载小、体积紧凑、响应小等特点，其动态特性是设计的重点。而获得准确的橡胶隔振器动力学模型是实现良好隔振器设计效果的前提。本文针对应用于某精密仪器的橡胶隔振器( 以下简称隔振器) 进行了动态特性研究。通过对橡胶超弹性材料进行有限元建模得到隔振器的硬非线性刚度特性，采用最小二乘法拟合得到隔振器非线性刚度系数，以此为基础提出了隔振器非线性动力学模型的建立方法，并结合谐波平衡法和矢量合成法仿真计算了隔振器在基础振动激励下的稳态响应，最后对所设计的隔振器进行了实验研究。计算结果和实验结果一致性较好，不仅说明所设计的隔振器具有良好的隔振缓冲能力，而且验证了所建立的隔振器非线性动力学模型的正确性及有效性，为进一步研究隔振器及承载设备的工作状况提供了基础。

    1 隔振器应用环境及设计分析

    本文所研究的隔振器应用于某导航精密仪器，要求具有较好的隔振缓冲能力。每四个隔振器为一组承载一套仪器，负载的质心位于隔振器组的安装平面上。通过调整隔振器安装位置，实现了振动解耦，保证了各隔振器受力一致。因此，原多自由度隔振系统的设计可以化为单自由度隔振器的设计问题。单个隔振器的设计要求主要包括: 静承载质量 1． 7 ± 0． 075 kg，使用条件下固有频率 45 Hz ～ 60 Hz，放大倍数小于 3，减振效率 80%，此外对随机振动、冲击响应均有一定要求。

    根据隔振器的具体工作环境和技术指标，参考《SJ20594 军用电子设备振动与冲击手册》，隔振器的设计符合标准《SJ/T 10180 金属橡胶型隔振器总规范》，《GJB 2503A 惯性平台减震器通用规范》和《SJ 2555 电子设备隔振器设计与应用技术导则》。通过对截面优化［7］，选定锥形截面橡胶元件，其变形时同时受剪切和压缩作用，是一种复合承载的橡胶、金属件组合型隔振器，其尺寸微小，外廓不超过40 mm。其中金属内套、金属支座与隔振橡胶件硫化胶合连接，金属内套用来与承载质量连接，底部的金属支座起安装与支持作用，两者内夹的锥形橡胶件是主要的隔振元件，其凸出的两个圆环嵌入了金属件，可以起到加强胶合的作用，降低了使用时的脱落失效现象。隔振器截面图、求解隔振器轴向刚度的有限元模型示意图如图 1。