张春辉，汪 玉，温肇东，赵建华（海军工程大学，武汉430033；海军装备研究院，北京006）

新型气液耦合冲击耗能器的冲击响应特性研究

张春辉1，汪 玉2，温肇东2，赵建华1
（1海军工程大学，武汉430033；2海军装备研究院，北京100161）

船舶设备遭受强冲击作用时，能够承受的加速度和相对位移幅值都很小，采用隔振器和限位器均不能满足抗冲击要求，此时需要特殊的耗能元件，吸收大量的冲击能量。基于将传统的隔振抗冲元件和新型耗能装置相结合的思想，设计了一种非线性抗冲击系统，在此基础上建立了气液耦合冲击耗能器的数学模型，并对其各参数（运动传递比和气腔有效横截面积）对抗冲击性能（绝对加速度幅值和相对位移幅值）的影响进行了仿真试验分析。研究表明，与线性隔离系统相比，冲击耗能器能够耗散部分冲击能量，提升系统的抗冲击能力；冲击耗能器的参数影响分析为新型耗能器的设计和开发提供了可行的理论依据。

冲击隔离；冲击响应；耗能器

0 引 言

冲击是一种具有大破坏性的瞬时激励，因为它通常包含很大的作用力、位移或压力[1]。过度的冲击响应可能会引起设备损坏[2]，因此设备设计时通常选用抗冲击性能好的设备和对设备采用抗冲击防护措施来保证设备的安全性，使用隔振器就是一种较好的冲击防护措施[3]。对于弹性安装的设备，由于安装空间有限，隔离器固有频率低且存在变形极限，冲击引起的设备与基础之间的过大相对位移会损坏设备[4]。目前，为了改善隔振器的抗冲击性能，通常在隔振系统中安装限位器，此种方法虽然可以降低相对位移幅值，但却会引起系统的二次冲击问题[5-6]。特别是当设备遭受强冲击作用时，设备承受的加速度和相对位移幅值都很小，采用隔振器和限位器均不能满足抗冲击要求，此时需要特殊的耗能元件，吸收大量的冲击能量，使传递到设备的冲击能量大幅减少，从而保证设备加速度和相对位移响应均能满足船舶设备的要求[7]。

1 气液耦合冲击耗能器的组成

1.1 气液耦合冲击耗能器的设计思想

研制气液耦合冲击耗能器的目的是解决传统的抗冲减振元件不能很好地同时解决隔振和抗冲击问题。具体设计思想是在传统的抗冲减振元件基础上并联一个气液耦合冲击耗能器组成一个新的非线性抗冲系统。图1展示了气液耦合冲击耗能器的原理示意图和实物。静平衡状态时，缸体5上端与被隔离设备面对面接触，液压活塞2下端与安装设备的基座固定连接。

图1 气液耦合冲击耗能器的原理图和实物Fig.1 Schematic of the gas-liquid coupling shock absorber

气液耦合冲击耗能器的工作原理是系统基座受到冲击作用时，利用液压活塞和T型活塞之间的运动传递关系快速把气腔内气体压缩到定压薄膜7设定的压力值P，当压力继续升高时，薄膜破裂，理想状态下（忽略节流和阻尼作用）认为气腔瞬间释放被压缩的高能气体，以此来耗散部分冲击能量，提升被隔离设备的抗冲击性能。为了保证设备与基础之间不会产生刚性接触，设定泄油口3，在气腔瞬时高度Hx≤0.005 m时，液腔油液通过泄油口3排出，释放液腔压力。

为计算方便，假设液压活塞的质量为m1，T型活塞的质量为m2，缸体和被隔离体的质量为m3，液腔半径为r1，T型小活塞半径为r2，气腔横截面积为A1，气腔的初始高度为H0。

1.2 气液耦合冲击耗能器的动力学分析

对于m2，T型活塞与缸体之间的相对位移x（t）为：

式中：Fq为气液耦合耗能器对m3的作用力。

1.3 气液耦合耗能器气腔的力—位移特性分析

式中：p是空气压力，V是空气容积，C是常数，n是与热交换有关的多变指数。如果气体压缩变化缓慢，热交换充分，可以视作等温过程，则n=1；如果变化迅速，来不及热交换，则气体压缩可视作绝热过程，则n=1.4。本研究冲击过程变化迅速，故n=1.4。

对于冲击耗能器，冲击过程中气腔的压力变化满足状态方程：

式中：V0是气腔的初始体积，Vx是冲击过程中气腔的瞬时体积，由公式（5）可得

由m2的动力学分析式（2）可知气腔瞬时高度Hx为

则气液耦合耗能器对m3的作用力Fq为：

故气液耦合耗能器耗散的冲击能量W为

式中：x0为气腔压力达到定压薄膜设定压力P时T型活塞与气腔之间的瞬时位移。

图2为理想状态下气腔作用力与相对位移的关系曲线。图中力与位移曲线所围成的面积代表冲击耗能器耗散的冲击能量。

2 新型非线性冲击隔离系统

本研究把传统的线性隔振器和自行设计的气液耦合冲击耗能器并联组成一种新型非线性抗冲击隔离系统，结构原理和实物如图3所示。

假设系统基础受到冲击信号y¨（t），根据牛顿第二定律，可列出系统的运动微分方程：

图2 理想的气腔作用力与相对位移之间关系曲线Fig.2 Idealized gas pressure-displacement relation

图3 非线性抗冲系统的原理示意图和实物Fig.3 Schematic and photograph of non-linearity shock isolation system

对于冲击激励，按照德国军标BV043-85[9]推荐的正负双半正弦时域信号对模型基础施加冲击输入，即：

相应的载荷谱值分别选用：加速度谱值A=200 g，速度谱值V=5 m/s，位移谱值d=0.05 m。冲击时域曲线如图4所示。

3 抗冲击性能的数值试验分析

时域内求解冲击响应的方法有杜哈梅积分法和数值分析法。杜哈梅积分只适用于比较简单、脉冲响应函数有解析解的系统[10]。而大部分非线性系统没有解析解，因此数值求解是研究非线性系统的重要手段。冲击模型（11）是非线性微分方程，无法给出直观的解析解，本研究采用龙哥-库塔法对其进行数值模拟分析。

图4 正负双半正弦时域波形Fig.4 The curves of plus-minus half sine wave

令被隔离设备的质量m3=50 kg，系统固有频率f=10 Hz，对不同运动传递比r0（0.25~9）和不同气腔有效截面积A（0.000 3-0.031 4 m2）下的冲击模型（11）进行数值模拟，分析运动传递比r0和气腔有效截面积A对抗冲击性能的影响。

3.1 运动传递比对抗冲击性能的影响

图5给出了在不同的运动传递比下设备的绝对加速度响应幅值。从图中可以看出，运动传递比越大，绝对加速度响应幅值越大。不同运动传递比下设备的相对位移响应幅值如图6所示。从图中可以看出，相对位移响应幅值先随着传递比的增大而减小，而后又随着传递比的增大而增加，存在一个最佳传递比，使得相对位移响应幅值最小。

图5 绝对加速度响应幅值与运动传递比的关系Fig.5 Amplitude of absolute acceleration vs. movement transmissibility

图6 相对位移幅值与运动传递比的关系Fig.6 Amplitude of relative displacement vs. movement transmissibility

3.2 气腔有效截面积对抗冲击性能的影响

气腔有效截面积与绝对加速度响应幅值关系如图7所示。从图中可以看出，气腔有效截面积越大，绝对加速度响应幅值越小。图8展示了不同的气腔有效截面积对相对位移响应幅值的影响。从图中可以看出，相对位移响应幅值随着气腔有效截面积的增大先减小后增加，存在一个最佳气腔有效面积，使得相对位移响应幅值最小。

图7 气腔面积对绝对加速度响应幅值的影响Fig.7 Amplitude of absolute acceleration vs.gas chamber’s cross-section area

图8 气腔面积对相对位移幅值的影响Fig.8 Amplitude of relative displacement vs.gas chamber’s cross-section area

图9 不同传递比下气腔面积对相对位移 响应幅值的影响Fig.9 Amplitude of relative displacement vs.movement transmissibility and gas chamber’s cross-section area

图10 不同传递比下气腔面积对绝对 加速度幅值的影响Fig.10 Amplitude of absolute acceleration vs.movement transmissibility and gas chamber’s cross-section area

为了更加深入地研究气腔有效横截面积和运动传递比对冲击响应的影响，对有效横截面积和运动传递比进行混合仿真研究。

不同运动传递比下气腔有效横截面积对相对位移响应幅值的影响如图9所示。从图中可以看出，在运动传递比r≤1，即位移传递缩小阶段，相对位移响应幅值随着气腔截面积的增加先减小，后增大，存在一个最佳气腔横截面积，使得相对位移响应幅值最小；在运动传递比r＞1，即位移传递放大阶段，气腔横截面积越大，相对位移响应幅值越小。

图10展示了不同运动传递比下气腔有效横截面积对绝对加速响应幅值的影响。从图中可以看出，在任意确定的运动传递比下，绝对加速度响应幅值随着气腔面积的增大而减小。

4 与线性隔离器抗冲击性能的对比

为了分析气液耦合耗能器的抗冲击性能，在相同的冲击环境下，对比分析了本研究的非线性抗冲击隔离系统和相同固有频率的线性单自由度隔冲系统的冲击响应结果。

图11、12为两种不同冲击隔离系统的时域响应对比图。从图中可以看出，在正负双波的冲击作用下，两种系统的响应幅值均发生在第二个峰值处。含气液耦合耗能器系统的绝对加速度响应幅值和相对位移响应幅值均比单自由度系统的响应幅值小。含气液耦合冲击耗能器系统的加速度响应曲线在0.036 s时存在瞬间减小的现象，这主要是因为气液耦合冲击耗能器在冲击响应过程中瞬间排出了高能气体，耗散了部分冲击能量。因此，气液耦合耗能器具有较好的抗冲击能力。

图11 气液耦合非线性抗冲器与线性隔离器的绝对加速度响应对比Fig.11 The response of absolute acceleration for different types of damping ratio

图12 气液耦合非线性抗冲器与线性隔离器的 相对位移响应对比Fig.12 The response of relative displacement for different types of damping ratio

5 结 论

本文提出了一种新型气液耦合冲击耗能器的设计思想，推导了理想状态下气液耦合耗能器对设备作用力与相对位移的关系；仿真分析了运动传递比和有效横截面积对冲击耗能器抗冲击性能的影响；对比分析了非线性冲击隔离系统与单自由度线性系统的冲击响应。基于以上分析，可得到如下结论：

（1）新型气液耦合冲击耗能器能够实现快速压缩并释放高能气体的功能，即能实现耗散部分冲击能量的功能；

（2）对于某一确定的气腔有效横截面积A，绝对加速度幅值与运动传递比成正相关关系，且存在一个最佳运动传递比，使得相对位移幅值最小；

（3）对于任意确定的运动传递比r0，被隔离器设备的绝对加速度响应幅值随着有效横截面积的增加而减小；

（4）运动传递比r0＜1时，相对位移幅值随着气腔有效横截面积的增加先减小后增加；在运动传递比r＞1时，相对位移响应幅值随着气腔有效横截面积的增加而减小；

（5）与线性单自由度系统相比，非线性冲击隔离系统可以有效降低被隔离设备的绝对加速度幅值和相对位移幅值。

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Characteristics of shock response of a novel gas-liquid coupling shock damper

ZHANG Chun-hui1,WANG Yu2,WEN Zhao-dong2,ZHAO Jian-hua1
(1.Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.Naval Academy of Armament,Beijing 100161,China)

The acceptable acceleration maximum and the relative displacement amplitude of ship equipments acceptable are very small when they are subjected to a strong impact.Under this circumstance,none of the vibration isolator and the displacement restrictor could meet the shock isolation requirements of ship equipments.Therefore,a special damper which could dissipate larger shock energy is necessary.Based on this idea in which traditional vibration isolators are combined with the novel dissipation components,in this paper,a new non-linearity shock isolation system is presented.A mathematical model of gas-liquid coupling shock damper is established.And,the numerical analysis relating to the effects of its parameters(movement transmissibility and cross-section area of gas chamber)on shock isolation performance(the absolute acceleration maximum and the relative displacement amplitude)is carried out.The results prove that in comparison with the traditional linearity shock isolation system,the gas-liquid coupling shock damper can improve the impact resistance performance by dissipating partial impact energy.Besides,the parametric influence analysis of the damper provides a feasible theoretical basis for the design and development of the novel gas-liquid coupling shock damper.

shock isolation;shock response;damper

O322

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.012

1007-7294（2015）07-0859-07

2015-01-02

973项目（613157010102）；预研基金（4010304030202）

张春辉（1988-），男，博士，E-mail：502773429@qq.com；

汪 玉（1964-），男，博士，研究员。