涡桨发动机橡胶隔振器设计方法研究

    从20世纪40年代起，发动机隔振装置就被飞机设计者普遍采用，在设计过程中，应合理选择发动机隔振装置的刚度，使之满足以下三个要求: 1)发动机传递到飞机的振动量值降低到所允许范围之内; 2) 发动机隔振安装系统的固有频率不得与飞机结构的各阶固有频率耦合; 3) 发动机最大位移振幅不得超过发动机及其附件、导管、电缆与周围结构之间能允许的间隙。上述三个要求往往是相互制约的，因此，隔振装置的刚度应是权衡考虑这三个求的优化选择［1］。橡胶隔振器是利用橡胶的弹性和阻尼作用来隔离振动的一种装置，与金属弹簧相比，因具有弹性范围大、可自由选择几何形状、容易得到非线性效应等特性，而在航空、汽车、舰船等领域得到广泛应用。常规的橡胶隔振器设计中，需要确定的是橡胶的动态弹簧常数，而在橡胶的质量管理上多使用容易测定的静态弹簧常数，实际上是有限变形速度下的橡胶静刚度［2］。因此，从理论上推导一定形状橡胶隔振器的静刚度计算公式，并可根据给定的隔振器三向静刚度进行形状、尺寸和硬度等参数的逆向设计，对于低橡胶隔振器的研制成本具有重要意义。

    在工程应用中，橡胶隔振器其应力应变的关系不是简单的由弹性模量 E 来确定的，而是由较复杂的形状系数来确定，不同的研究者提出了不同的计算关系式，但都仅限于圆柱形、环柱形、矩形等比较简单规则的形状。而随着商业有限元软件的发展，对复杂形状橡胶隔振器的仿真计算能力也得到进一步提高，但由于橡胶隔振器的性能与橡胶的配方、硬度、温度、受力状态等诸多因素有关［3］，应用现有橡胶超弹性本构模型得到的计算结果并不准确。

    从目前橡胶隔振器静态特性研究方面已发表的论文来看［3—9］，文献多结合橡胶本构关系，运用试验方法或者有限元方法来获取橡胶隔振器的特性，而未涉及从工程的角度，利用已获验证的经验公式进行隔振器的快速研制，并满足工程精度要求。现有橡胶隔振器通常是规则形状或由规则形状组成的，本文整合规则橡胶隔振器的刚度计算公式，利用有限元方法推导了一种航空发动机用橡胶隔振器的三向刚度计算公式，并进一步研究了给定目标三向刚度情况下其形状尺寸、硬度等参数的逆向设计方法，为橡胶隔振器的工程设计提供了一种新手段。

    1 发动机隔振器刚度理论研究

    文献［10］给出了圆柱形隔振器、环柱形橡胶隔振器和矩形橡胶隔振器等三种常用形状的橡胶隔振器，如图1 所示，并给出了常用三向刚度计算公式。