非线性隔振抗冲器的设计与建模研究

论文摘要

设备在工作过程中,不仅受周期性的振动载荷,而且经常还会受到冲击载荷,冲击作用对设备造成的破坏往往比振动造成的破坏更严重。为了减小冲击造成的损坏,必须对设备作冲击防护或隔离。冲击防护和隔离的效果好坏取决于隔离器件的性能和系统参数的匹配。大多数情况下进行系统设计时很少考虑其抗冲击能力,因此对隔振系统的抗冲击性能研究以及新型隔振抗冲击元器件的研究与开发是非常必要的。在十一五海军装备预研项目“新型抗冲隔离器性能、建模理论和开发研究”的资助下,本文对含不同阻尼的单自由度系统的抗冲击性能进行了研究,推导了抗冲击性能指标与系统参数之间的关系,并对不同系统的抗冲击性能进行了比较。以此为基础设计了一种结构新颖的,多机理同时作用的非线性隔振抗冲元件,建立了器件的非线性数学模型,对模型中的待定参数进行了辨识,并对其抗冲击性能进行了研究。论文主要完成了以下几方面的工作:1.论文总结了国内外有关系统在冲击载荷作用下的参数优化问题的研究方法及研究现状以及工程实践中常用的减振抗冲击元器件的作用原理、结构特点、数学模型和它们在各工业领域中的应用,对非线性减振抗冲击器件建模的研究意义、国内外的研究现状、已有的研究成果及存在的问题作了较为全面的论述。2.利用微分方程理论和不等式理论对线性阻尼系统（线性刚度和线性阻尼并联）、平方阻尼系统（线性刚度和平方阻尼并联）以及库仑阻尼系统（线性刚度和库仑阻尼并联）等的抗冲击性能进行了详细的研究。推导了上述系统具有最优抗冲击性能的条件,以及抗冲击性能指标与系统参数之间的关系,导出了系统具有最优抗冲击性能时的系统参数。对不同系统的最优抗冲击性能进行了比较。3.设计了一种多机理共同作用的结构新颖的非线性隔振抗冲元件,器件的回复力由弹性体材料的弹性提供,利用弹性体材料的粘性和接触面间的摩擦来提供阻尼。然后对其进行了有限元建模,利用有限元模型对其关键参数进行了设计。对器件进行了动静态特性仿真,获得了器件的刚度特性—非线性硬特性。4.根据对所设计隔振抗冲器件的仿真结果,建立了两中不同的研究器件振动性能的数学模型,一种是基于力-位移关系曲线的非线性模型,同时将Bouc-Wen迟滞曲线模型引入到非线性隔振抗冲器件的建模中,另一种是基于频率响应曲线的非线性模型,并研究了各模型中的待定参数对器件振动性能的影响。5.提出了所建立振动模型的参数辨识方法,加工制作了试验样机,测试了器件的动静态特性,特性曲线的趋势与有限元仿真结果非常一致,验证了有限元模型的有效性。利用试验数据和辨识方法对模型中的参数进行了辨识。对两种模型在相同初始条件下的自由振动响应和在不同频率下激励的受迫振动响应进行了数值求解,结果表明这两种模型的自由振动的频率非常一致,而受迫振动的振幅基本相同,这说明用这两种模型来模拟器件的振动性能是可行的。6.建立了器件的抗冲击数学模型,计算了在典型冲击脉冲激励下,系统的冲击响应。在跌落试验台上对其进行了冲击性能测试,验证了模型的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 隔振系统抗冲击研究综述
• 1.2.1 隔振系统在冲击载荷作用下系统参数的优化设计
• 1.2.2 常用减振抗冲元件
• 1.2.3 非线性减振器的建模研究概况
• 1.3 本文主要内容
• 第二章 含不同阻尼的单自由度系统抗冲击性能研究及参数优化
• 2.1 引言
• 2.2 问题描述
• 2.3 极限隔离能力问题
• 2.4 单自由度系统的抗冲击性能及参数优化
• 2.4.1 线性系统
• 2.4.2 平方阻尼系统
• 2.4.3 干摩擦阻尼系统
• 2.5 小结
• 第三章 非线性隔振抗冲器的设计及响应计算
• 3.1 引言
• 3.2 隔振抗冲击器件的设计
• 3.2.1 弹性体的有限元建模基本理论
• 3.2.2 接触建模
• 3.2.3 隔振抗冲器件的有限元建模
• 3.3 隔振器动态性能仿真
• 3.3.1 瞬态响应
• 3.3.2 稳态响应
• 3.4 小结
• 第四章 非线性隔振抗冲器的振动建模研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于力-位移关系曲线的隔振抗冲器建模研究
• 4.2.1 Bouc-Wen 模型
• 4.2.2 基于力-位移关系曲线的的隔振抗冲器件的数学模型
• 4.2.3 α对迟滞环形状的影响
• 4.2.4 参数β和γ对迟滞环形状的影响
• 4.2.5 n 对迟滞环形状的影响
• 4.3 基于频率响应曲线的隔振抗冲器的建模与求解
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 模型求解
• 4.3.3 模型参数对隔振器频率响应曲线的影响
• 4.4 小结
• 第五章 非线性隔振抗冲器振动模型的参数辨识及性能试验
• 5.1 基于力-位移关系曲线模型的参数辨识
• 5.1.1 α的辨识
• 5.1.2 n 的辨识
• 5.1.3 β和γ的辨识
• 5.2 基于频率响应模型的参数辨识
• 5.3 隔振抗冲器的性能试验
• 5.3.1 静态性能试验
• 5.3.2 动态性能试验
• 5.4 模型参数的计算及验证
• 5.5 两种模型的比较
• 5.5.1 自由振动
• 5.5.2 受迫振动
• 5.6 小结
• 第六章 隔振抗冲器的抗冲击建模、试验与仿真
• 6.1 引言
• 6.2 冲击载荷的表述
• 6.3 隔振抗冲器的抗冲击建模与仿真
• 6.3.1 隔振抗冲器的抗冲击建模
• 6.3.2 隔振抗冲器在冲击载荷作用下的响应计算
• 6.4 隔振抗冲器冲击试验
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的贡献和创新
• 7.3 工作展望
• 致谢
• 作者在攻读学位期间发表的论文情况
• 博士期间完成（参与）的科研项目