第３３卷第４期 噪声与振动控制 ８９
文章编号：１００６—１３５５（２０１３）０４—００８９—０５
ＧＳ２型钢丝绳隔振器极限冲击载荷研究
李 佳，冯海军，周相荣，管月英
（中船重工集团公司第七。四研究所，上海２０００３１）
摘要：采用试验方法对ＧＳ２型钢丝绳隔振器的极限冲击载荷进行探索，隔振器发生较大永久变形时隔振器达到 冲击极限。此外，基于通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ对ＧＳ２型钢丝绳隔振器的抗冲性能进行数值模拟，并与试验结果进行 比较，取得较好的效果，这为类似钢丝绳隔振器的抗冲动态特性研究提供了一种简单、合理的工程设计借鉴。 关键词：振动与波；钢丝绳隔振器；极限冲击载荷；试验；数值模拟 中图分类号：ＴＢ５３；ＴＨ１１２．５９ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—１３３５．２０１３．０４．０１９
Ｓｗａｙ ｏｎ Ｕｌｔｉｍａｔｅ Ｓｈｏｃｋ Ｌｏａｄ ｏｆ ＧＳ２ Ｓｔｅｅｌ—ｓｔｒｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｉｓｏｌａｔｏｒ
Ｌ１ Ｊｉａ，ＦＥＮＧ Ｈａｉ－ｊｎｎ，ＺＨＯＵ Ｘｉａｎｇ－ｒｏｎｇ，ＧＵＡＮ Ｙｕｅ－ｙｉｎｇ
（７０４ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｈｏｃｋ ｌｏａｄ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅｅｌ—ｓｔｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｏｒｓ ｏｃｃｕｒｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｈｏｃｋ ｌｏａｄ ｏｆ ＧＳ２ ｓｔｅｅｌ－ｓｔｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｓｈｏｃｋ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＢＡＧＵＳ． Ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｈａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ａｎｔｉ－ｓｈｏｃｋ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ—ｓｔｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｏｒｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄ８：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｖｅ；ｓｔｅｅｌ—ｓｔｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｏｒ；ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｈｏｃｋ ｌｏａｄ；ｔｅｓｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
舰船遭受爆炸冲击作用时，艇上各类设备常常
发生广泛的冲击破坏。要提高船用设备抗冲击的能
力，最有效而又方便的方法就是在船体与设备之间
安装具有良好抗冲击性能的缓冲装置，而目前在我
国舰船上主要机械设备均以普通隔振器兼作抗冲元
件，在平时以隔振功能为主，遭受冲击载荷时，以其
较大的弹性变形将冲击能量转为势能并以较缓慢的
形式释放出来。目前对于隔振器的隔振性能参数已
有了较为充分的研究，然而对其冲击特性的研究还
十分欠缺，工程中所用到的一些数据也往往是在其
低频动态特性的基础上类推而得，因而往往会产生
较大的误差［１１。尤其是，我国针对船用隔振元件冲
击极限载荷研究开展不多，基本未开展系统的隔振
元件冲击极限载荷研究。目前通常根据俄罗斯隔振
元件极限考核标准，采用１５倍额定载荷或无限位隔
收稿日期：２０１２—１１。２３；修改日期：２０１３．０１．２１
作者简介：李佳（１９８５一），女，湖北京山人，硕士，目前从事 设备减振降噪抗冲工程研究、减振元器件开发研 究。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｊｉａ７０４＠ｇｍａｉｌ．ｔｏｍ 振元件拉伸变形大于６０ ｍｍ作为元件冲击极限性能
考核。但是该标准不能全面反映隔振元件冲击极限
性能。例如满足１５倍额定载荷小变形限位隔振元
件意味着强冲击隔离效果较差，会导致被隔离设备
的冲击损伤。无限位拉伸变形大于６０ ｍｍ的隔振元
件在强冲击下变仍可能发生拉伸断裂。因此，合理
判定隔振器的极限载荷具有十分重要的意义。
本文首先采用试验方法对ＧＳ２型钢丝绳隔振器
的冲击极限进行探索，常用的测评抗冲元件动态特
性的方法很多，如落锤冲击试验法，可用其来测评抗
冲元件的动态特性；如轻气炮试验装置，可用其在水
平冲击试验法的基础上来测评抗冲元件的动态特
性 。本文的试验在ＭＴＳ跌落式试验机上进行，采
用逐渐提高跌落高度提高冲击加速度输入的方法，
直至隔振器失去隔振效果或元器件发生损坏，此时
认为隔振器达到冲击极限。然而，由于我国的试验
条件和经费有限，抗冲击计算显得尤其重要。钢丝
绳隔振器具有明显的非线性迟滞阻尼特性，该迟滞
特性与钢丝绳减振器的作用方向、变形大小有着密
切关系，不同作用方向和变形大小将使减振器在宏 第３３卷第４期 噪声与振动控制 ９１
２ ＧＳ２钢丝绳隔振器冲击特 毁值仿真 数ｃ。
２．１隔振系统有限元模型
参照隔振器冲击试验图，隔振器侧挂受力呈现
两种方式：纵向剪切（Ｙ向侧挂）、横向剪切（ 向侧
挂），见图２。由于隔振器为侧挂布置，用弹簧模拟隔
振器时，弹簧长度取为肛８９ １ＴＩＩＴＩ，弹簧选择具有三
个自由度的Ｃａｒｔｅｓｉａｎ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ。质量块根据
其尺寸及布置位置，简化为具有相应质量和转动惯
量的质量点。仿真模型如图５所示，其中隔振器１与
２为纵向侧挂布置即受力为纵向剪切，隔振器３为横
向侧挂布置即受力为横向剪切。
隔振器１
振器２ Ｙ
ｘ、 一 ｘ ｚ 三一
振器３
图５ ＧＳ２－－４０隔振器系统仿真模型
Ｆｉｇ．５ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＧＳ２—４０ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
本文近似用隔振器静态刚度代替冲击作用下的
隔振器刚度，测试数据为单向拉压数据，静态试验中
力变形曲线如图６所示。
根据试验测得的加速度输出曲线，可以采用白
振衰减公式近似求得隔振器在各工况下的阻尼比
￣６／（２ａｒ）
： ｌｎ （１）
ｍ ｍ１ 其中 １为ｔｌ时刻的振幅， ＋１为ｔ ＝ｔ１＋ｍ
瞬时的振幅，已知 的情况下，可以计算阻尼比 。
己知阻尼比 时，可以根据ｃ＝鹫√ 计算阻尼系
２
１
０
＿１
２ ×ｌＯ ｝
／ ／ ｌ ／ ／ ／ ／ 工况不同，阻尼比不同，阻尼比与该工况下的隔
振器输出速度有关，即阻尼比呈非线性关系，此外，
各工况下隔振器最大位移不同，对应的刚度亦不同，
因此，各工况下的阻尼系数与该工况计算得到的阻
尼比、最大速度及最大位移均有关。由于没有单独
对隔振器进行阻尼试验，本文近似认为纵向侧挂与
横向侧挂的阻尼参数相等，典型工况下隔振器最大
速度、最大位移及阻尼比如表２所示。
表２典型工况下速度、位移及阻尼比参数表
Ｆｉｇ．２ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄａｍｐｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
２．２仿真结果与试验对比分析
ＡＢＡＱＵＳ是一个以显式为主的通用非线性动
力学分析有限元程序，具有强大的接触计算能力，可
以求解各种二维、三维非线性结构的非线性问题，对
隔振器抗冲击性能的研究具有很大的帮助。本数值
模型直接运用Ａｂａｑｕｓ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ显式分析模块进行分
析，数值分析时考虑了钢板自重的影响。冲击载荷
为试验所测得的冲击加速度，对隔振器的数值仿真
分两步进行：包括质量块在内的系统静平衡计算；冲
击加速度响应计算。本文对垂向冲击０．５ ｍ、０．７ ｍ
和０．９ ｍ工况（即落锤高度为０．５ ｍ、０．７ ｍ、０．９ ｍ）进
行了数值仿真。
２．２．１加速度响应分析
各工况下质量块的加速度响应对 匕女口图７所示。
２５
１５
５ ０ ．５
－１５
．２５ ×ｌＯ ，
／ ／ ／ ／／ ／ ／ ／ ｔ ／
。８ ．６ —４ ．２ ０ ２ ４ ６ ８ －８ —６ ４ —２ ０ ２ ４ ６ ８ 何移／ｍ ｘｌＯ＂２ 位移／ｍ ｘ ｌＯ－２
（ａ）横向侧挂静态试验图 （ｂ）纵向侧挂静态试验图
（ａ）Ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ ｓｔａｔｉｃ ｔｅｓｔ （ｂ）Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｔａｔｉｃ ｔｅｓｔ 图６隔振器静态力变形曲线
Ｆｉｇ．６ Ｓｔａｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｃｕｒｖｅ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉ
ｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ９２ ＧＳ２型钢丝绳隔振器极限冲击载荷研究 ２０１３年８月
２００
１５０
薹１００ ＼ 篝５０
最 Ｏ
．５０ Ｉ ’ Ｉ ｌ
ｔ
、” ０ ２Ｏ ３０
时间／ｓ 表３计算与试验结果对比表 Ｔａｂ．３ Ｄａｔａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ
１４ｏ０．： ２．２．２隔振器速度分析
（ａ）０．５ ｍ冲击工况计算与试验结果对比图
（ａ）Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ０．５ ｍ ｓｈｏｃｋ ｃａｓｅ
４００
３００
２００
１Ｏ０
０ ｆ
Ｏ １０ ２Ｏ ３Ｏ ４０ 时 ／ｓ ｘ１０－２
（ｂ）０．７ ｍ冲击工况计算与试验结果对比图
（ｂ）Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｆｏｒ０．７ｍ ｓｈｏｃｋ ｃａｓｅ
７００ ６００
， ５００ ４００
酉３００ ２００ １００ ０ ｐ ｔ ｔ —ｎ一—— 一 Ｉ 直ｆ ｒ ｛ ｛ ｒ ｝ － ｛ Ｉ ： 、 ｕ ／ 。、 ≮
／ 一 ｛ 、
Ｏ ２Ｏ ３０
时『Ｈ】／ｓ ４０
×１０．２
ｆｃ）０．９ ｍ冲击工况计算与试验结果对比图
（ｃ）Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｆｏｒ ０．９ｍ ｓｈｏｃｋｃａｓｅ
图７各工况计算与试验结果对比图
Ｆｉｇ．７ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｈｏｃｋ ｃａｓｅｓ
如图７及表３，数值仿真结果与测试结果的加速
度响应峰值比较接近，误差在３０％左右，计算仿真
中加速度响应峰值略提前于试验中加速度响应峰值
产生时刻。 各工况下隔振器的速度响应如图８所示，隔振
器的速度为输出端速度与输入端速度之差。
Ｏ・５ ０・Ｏ
，—、－０．５
－１．５
．２．５
３．５ ，｛
Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ｌｔ＇ｊｌ＇Ｈ］／ｓ １０
（ａ）０．５ ｍ冲击工况速度曲线 （ａ）Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｏｒ ０．５ ｍ ｓｈｏｃｋ ｃａｓｅ
Ｏ．Ｏ
．１．０
、兰一２．０
．３．０
．４．０ ｌ ・ 。。 １ ． １ ｌ
０ １ ２ ３
时Ｉ＇ＨＪ／ｓ ４ ５ ×１０—
（ｂ）０．７ ｍ冲击工况速度曲线
（ｂ）Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｏｒ ０．７ ｍ ｓｈｏｃｋ ｃａｓｅ
Ｏ．Ｏ
．１．０
￡一２．Ｏ
篝＿３．ｏ
４．Ｏ ． 誊
｜÷ ＿ ！ …
ｊ ● ｛ 。
０ １ ２ ３
时ｆｉ￣］／ｓ ４ ５ ×ｌ０
（ｃ）０．９ ｍ冲击工况速度曲线 （ｃ）Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｏｒ ０．９ ｍ ｓｈｏｃｋ ｃａｓｅ 图８各工况下隔振器速度曲线图
Ｆｉｇ．８ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｕｒｖｅｓ ｆｏｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ
ｃａｓｅｓ