减振元件冲击特性研究

　　冲击问题是船舶工程中的一个重要问题,在冲击荷载的作用下,可以使船舶发生破坏,因此需要在船舶中安装冲击吸收装置。抗冲击减振元件就是通过橡胶材料吸收能量,从而减少冲击荷载对船体结构的破坏作用。本文所涉及的减振元件是由钢和橡胶组成,多年来国内在该类减振元件的理论模型建立和设计计算方法长期沿袭经验公式,减振元件的动刚度由经验公式和试验确定,而冲击刚度则完全由试验确定。但是对于本文所研究的减振元件其结构体系复杂,所承受的额定荷载比较大,金属与橡胶粘结面形状不规则,橡胶受载荷后变形复杂,套用经验公式误差较大,甚至无法套用现有的经验公式,因此本文对减振元件冲击特性的进行理论研究,用理论方法计算减振元件的动刚度和冲击刚度,并与试验结果进行比较。

　　由于减振元件中采用橡胶材料吸能,橡胶材料属于高分子材料的一种,在承受冲击载荷作用时,材料在很短时间里发生大变形,必然导致材料本构关系的非线性。但由于减振器一般设置限位器,在限位器允许范围内,减振元件可以假设在线弹性范围内。由于船用抗冲击减振器冲击速度不算太高,基本上应变率在不很高的范畴内,因此在研究中可删除高应变率影响,通过常规的试验数据,采用最小二乘法拟合方法确定冲击荷载下的橡胶材料本构关系,从而可以通过有限单元计算动静及冲击刚度。

　　1 基本理论

　　1.1 减振元件静动刚度计算

　　减振元件的静动刚度计算采用有限单元法,选用四面体单元,以WH600型减振元件为例,其网格划分平面图如图1所示。

　　对减振元件进行有限元计算,采用Matlab语言进行编程,其自由振动微分方程为

　　在实际工程中,阻尼对结构自振频率和振型的影响不大,因此可以进一步忽略阻尼力,得到无阻尼自由振动的运动方程如下

　　由结构自振频率方程|[K]-ω²[M]|=0求出结构的n个自振频率及相应的结构振型ψi(附WH1750型减振元件的第一振型平面图,如图3所示),则

　　1.2 减振元件冲击刚度计算

　　由于减振器在冲击荷载作用下,位移一般都比较小,可以用线性理论近似求解,将其简化为单自由度质量弹性系统,力学模型如图2所示

　　将p(t)用一系列连续分布的脉冲作用下的响应为各个脉冲叠加时得到体系的总响应为

　　在此利用MATLAB语言中的数值仿真对减振器的振动进行模拟,得到它的振动位移曲线,冲击刚度

　　2 计算结果与实验结果比较

　　2.1 静动刚度比较