正弦位移激励对编织-嵌槽型金属橡胶隔振系统动态特性的影响.pdf 5页

设备设计／诊断维修／再制造现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１４年第１２期正弦位移激励对编织-嵌槽型金属橡胶隔振系倡统动态特性的影响李拓，白鸿柏，路纯红（军械工程学院，石家庄０５０００３）摘要：设计、制作了编织-嵌槽型金属橡胶隔振器，并对其进行动态特性试验。通过建立非线性恢复力模型，考察该隔振系统线性刚度系数、三次非线性刚度系数以及一次粘性阻尼系数随正弦位移激励的变化情况，分析振幅和频率对编织-嵌槽型金属橡胶隔振系统动态特性的影响。结果表明：随着振幅或频率的增大，编织-嵌槽型金属橡胶隔振器的刚度逐渐减小，阻尼略有降低，且振幅或频率的增大会使该隔振系统振动响应幅频特性曲线的带宽变窄。关键词：编织-嵌槽型金属橡胶；振幅；频率；非线性恢复力模型中图分类号：ＴＢ５３５；ＴＨ１１３．１文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—３１３３（２０１４）１２—００９７—０５Effectsofsinedisplacementexcitationondynamiccharacteristicsofvibrationisolationsystemwithknitted-dappedmetalrubberＬｉＴｕｏ，ＢａｉＨｏｎｇｂａｉ，ＬｕＣｈｕｎｈｏｎｇ（ＯｒｄｎａｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｏｒｗｉｔｈｋｎｉｔｔｅｄ-ｄａｐｐｅｄｍｅｔａｌｒｕｂｂｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｐｒｅｐａｒｅｄａｎｄｔｅｓｔｅｄ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｏｒｃｅｍｏｄｅｌｗａｓｅｓ-ｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｃｈａｎｇｅｓｏｆｌｉｎｅａｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｃｕｂｉｃｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｌｉｎｅａｒｓｔｉｃｋｉｎｅｓｓｄａｍｐｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ａｓｔｈｅｓｉｎｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｄｉｎｔｈｅｔｅｓｔｓ．Ａｎｄｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｎｖｉｂｒａ-ｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｋｎｉｔｔｅｄ-ｄａｐｐｅｄｍｅｔａｌｒｕｂｂｅｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｓｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｃｒｅａ-ｓｅｓ，ｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｏｒｗｉｔｈｋｎｉｔｔｅｄ-ｄａｐｐｅｄｍｅｔａｌｒｕｂｂｅｒｄｅｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｄａｍｐｉｎｇｉｓｒｅｄｕｃｅｄ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔａｐｅｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅ-ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｇｅｔｓｎａｒｒｏｗｅｒ．Keywords：ｋｎｉｔｔｅｄ-ｄａｐｐｅｄｍｅｔａｌｒｕｂｂｅｒ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｏｒｃｅｍｏｄｅｌ使用过程中材料残余变形大，以及尺寸与性能稳定性０引言较差等不足。编织-嵌槽型金属橡胶是采用编织-嵌槽工艺制成的新型弹性阻尼材料，具有类似弹簧的螺旋结构，如图１所示。编织-嵌槽型金属橡胶的制备过程如下：首先使用专用编织设备（如圆纬针织机）将选取的金属丝编织成网套；再根据需要剪裁、称取一定质量的网套，并将剪取的网套经预压整形、冷弯成型等工艺轧制出若干道沟槽；然后将网套缠绕成毛坯，使沟槽嵌图１编织-嵌槽型金属橡胶合在一起；最后对毛坯进行冷冲压成型。与由金属丝经螺旋卷缠绕、定螺距拉伸、铺设毛坯和冷冲压等一编织-嵌槽型金属橡胶是一种新型弹性阻尼材料，［１］系列工序制成的金属橡胶相比，编织-嵌槽型金属橡其设计的首要目的是用于隔振，因此，对其动态力学胶很好地克服了低刚度金属橡胶构件成型质量较差、特性的考察十分必要。编织-嵌槽型金属橡胶隔振器倡武器装备“十二五”预先研究项目（５１３１２０６０４０４）９７ ２０１４年第１２期现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）的阻尼减振作用基本上是依靠材料内部金属丝之间６ｍｍ的预压缩量。的摩擦、挤压、滑移和变形实现的，因此，编织-嵌槽型２动态试验金属橡胶的动态特性可以通过对编织-嵌槽型金属橡胶隔振器进行相关的试验研究得到。２．１试验设备及隔振器的装夹本文参照原有金属橡胶隔振器的结构形式，设动态试验采用的试验系统由ＰＬＳ-２０电液伺服试计、制作了编织-嵌槽型金属橡胶隔振器，并对其进行验机和ＤＨ５９３６振动测试系统组成。ＰＬＳ-２０电液伺了动态试验。为了考察正弦位移激励对该隔振系统服试验机可实施精确的正弦位移加载。的影响，建立了非线性恢复力模型，并通过对总恢复使用螺钉将隔振器固定在碗形托架上，并使用连力方程中相关系数进行辨识，研究了当正弦位移激励杆分别连接隔振器的中心轴和碗形托架的下端，最后的振幅和频率发生变化时隔振器系统动态特性的变将两个连杆分别装夹在试验机的上、下夹头中，试验化规律。装置实物图如图４所示。试验过程中，在下夹头的夹１编织-嵌槽型金属橡胶构件及相关隔振系统持下碗形托架固定不动，上夹头通过连杆带动隔振器的设计的中心轴，使中心轴上的压缩片随之上下振动，依次笔者制备了编织-嵌槽型金属橡胶隔振器，其内部循环压缩上下两个编织-嵌槽型金属橡胶试件。结构剖视图如图２所示。两个编织-嵌槽型金属橡胶对称串套在中心轴凸肩的两端，将该组合体从隔振器外壳底部装入隔振器，最后通过螺钉将隔振器外壳同隔振器底座连接，即完成装配。隔振器的组成部件实物图如图３所示。图４试验装置实物图２．２试验方法试验选用位移控制方式对隔振器施加正弦位移激励，通过数据采集装置分别采集试验机上夹头在试图２编织-嵌槽型金属橡胶隔振器内部结构剖视图验过程中的位移和施加的力（即试件的变形量和受到的力），分别进行如下两组试验。第一组：正弦激励的频率保持在１Ｈｚ不变，改变激励的振幅，取值依次为１、２、３、４、５ｍｍ。第二组：正弦激励的振幅保持在２ｍｍ不变，改变激励的频率，取值依次为１、２、３Ｈｚ。２．３试验结果分析图３隔振器的组成部件实物图根据第一组试验所得数据绘制迟滞回线，如图５两个圆环形编织-嵌槽型金属橡胶构件均采用丝所示。由粘弹性理论可知，迟滞回线的斜率在一定程径为矱０．１５ｍｍ的３０４硬态不锈钢丝制备而成，且尺寸度上能够体现出金属橡胶构件的刚度，其斜率越大，参数完全相同。构件厚度为２３ｍｍ，外环直径为刚度越大；迟滞回线包围的面积体现出一个工作周期矱３６ｍｍ，内环直径为矱１２ｍｍ，质量为７．７ｇ，成型压力内构件消耗的能量，曲线包围的面积越大，构件消耗３为８ｋＮ，成型密度为０．３７ｇ／ｃｍ。在制备过程中需要的能量越多。注意的是，圆环形构件的内径应略大于隔振器中心轴由图５所示可知，随着振幅的增大，迟滞回线逐渐轴径，这样可以保证在隔振器工作过程中构件能够沿向右倾斜即曲线的斜率逐渐减小，曲线包围的面积逐着中心轴的轴向运动。两构件在装入隔振器后均有渐增大。这说明，金属橡胶构件的刚度随振幅的增大９８ 李拓，等：正弦位移激励对编织-嵌槽型金属橡胶隔振系统动态特性的影响２０１４年第１２期而减小，呈渐软特性；隔振器的阻尼耗能随振幅的增部分。记忆部分可以用双折线泛函本构关系来表示。大而增多。双折线本构关系示意图如图７所示，图７中：yｍａｘ为位根据第二组试验所得数据绘制迟滞回线，如图６移y（t）的峰值，滑移极限ys通常较小，t为时间变量。所示。图７双折线本构关系示意图具有记忆特性的双折线恢复力z（t），其增量形式图５频率为１Ｈｚ、振幅为１～５ｍｍ时的迟滞回线本构方程为：ksｄz（t）＝｛１＋ｓｇｎ（zs－z（t））｝ｄy（t）（１）２zsks＝ys式中：ks、zs、ys分别为滑移前的线性刚度、迟滞环节滑移时的记忆恢复力以及滑移极限；y（t）为隔振器中心轴在振动过程中的位移。无记忆部分通常包括具有较强三次非线性的弹性力和粘性阻尼成分，因此，迟滞回线可以用如下恢复力模型表示：图６振幅为２ｍｍ、频率为１～３Ｈｚ时的迟滞回线··３F（y（t），y（t））＝k１y（t）＋k３y（t）＋cy（t）＋z（t）由图６所示可知，随着频率的增大，迟滞回线逐渐（２）变得扁平即曲线的斜率逐渐减小，金属橡胶构件的刚式中：F为恢复力；k１为线性刚度系数；k３为三次非线度逐渐降低；随着频率的增大，曲线包围的面积略有·减小，说明隔振器的阻尼耗能随频率的增大而略有性刚度系数；c为一次粘性阻尼系数；y（t）为隔振器中减少。心轴振动的速度；z（t）为具有记忆特性的双折线恢综上所述，编织-嵌槽型金属橡胶隔振器的恢复力复力。在隔振过程中同时受到振幅和频率的影响，且具有变４参数识别与分析刚度、变阻尼的非线性迟滞特性，因此，可以判断恢复力中包含有多种成分，说明该隔振系统是一个复杂的对于金属橡胶而言，在动态特性方面主要研究其非线性迟滞系统。刚度和阻尼，因此，对编织-嵌槽型金属橡胶隔振器的非线性恢复力模型参数识别过程中，重点考察线性刚３非线性恢复力模型度项（k１）、三次非线性刚度项（k３）以及一次粘性阻尼［２-５］根据现有的研究资料，学者们多采用非线性项（c）。力学模型对金属橡胶等非线性干摩擦阻尼材料或隔利用动态试验中的数据，根据文献［５］中介绍的振器的特性进行描述。由于编织-嵌槽型金属橡胶也迟滞回线分解识别算法，分别对两组激励试验下的隔是一种干摩擦阻尼材料，故可以通过借鉴上述方法对振器非线性恢复力模型进行了参数辨识，识别出来的编织-嵌槽型金属橡胶隔振器的动态特性进行研究。线性刚度系数k１、三次非线性刚度系数k３以及一次粘金属橡胶的迟滞回线包含有记忆部分和无记忆性阻尼系数c如表１所示。９９ ２０１４年第１２期现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）表１编织-嵌槽型金属橡胶隔振器非线性恢复力模型参数识别结果振幅／频率／k１／k３／c／ｍｍＨｚ－１－３（Ｎ·ｓ·ｍｍ－１）（Ｎ·ｍｍ）（Ｎ·ｍｍ）１１８．５４７４４．７３５０．７１９７２１６．６５９８０．８９３９０．３７７７３１５．５８９２０．５６９９０．２７６９４１４．１７８６０．３３６３０．１８６７５１２．８３０３０．２６０．１０８２２２５．５３８５０．７９４１０．３２５６２３３．９０９５０．５６０５０．２２９８从表１所示可以看出，随着振幅或频率的增大，线性刚度系数k１、三次非线性刚度系数k３和一次粘性阻图１０振幅为３ｍｍ、频率为１Ｈｚ时仿真曲线和试验曲线对比尼系数c均逐渐减小。线性刚度系数k１的减小，反映的是动态试验中隔振器刚度随振幅增大而减小（呈渐［６-７］软特性）的特点。根据李宇燕等人对位移三次非线性因素的研究所得结论，三次非线性刚度系数k３的减小，说明随着振幅或频率的增大，隔振系统振动响应幅频特性曲线的带宽变窄。一次粘性阻尼系数c的减小，反映了随着振幅或频率的增大，隔振系统的阻尼有减小的趋势。根据隔振器非线性恢复力模型参数识别结果，绘制得到仿真迟滞回线（仿真曲线），并将其与试验所得迟滞回线（试验曲线）进行对比，如图８～图１４所示。图１１振幅为４ｍｍ、频率为１Ｈｚ时仿真曲线和试验曲线对比图８振幅为１ｍｍ、频率为１Ｈｚ时仿真曲线和试验曲线对比图１２振幅为５ｍｍ、频率为１Ｈｚ时仿真曲线和试验曲线对比图９振幅为２ｍｍ、频率为１Ｈｚ时仿真曲线和试验曲线对比图１３振幅为２ｍｍ、频率为２Ｈｚ时仿真曲线和试验曲线对比１００ 李拓，等：正弦位移激励对编织-嵌槽型金属橡胶隔振系统动态特性的影响２０１４年第１２期参考文献：［１］切戈达耶夫Ｄ，穆留金Ｏ，高尔德金．金属橡胶构件的设计［Ｍ］．李中郢，译．北京：国防工业出版，２０００．［２］黄协清，张铁山，张俊华．金属橡胶材料隔振特性研究［Ｊ］．机械科学与技术，２０００，１９（６）：９７７－９８０．［３］姜洪源，敖宏瑞，李瑰贤，等．金属橡胶隔振器动力学模型与分析［Ｊ］．湖南科技大学学报，２００４，１９（３）：２３－２７．［４］路纯红，白鸿柏，王尤颜．金属橡胶／橡胶复合叠层耗能器试验建模研究［Ｊ］．军械工程学院学报，２００８，２０（１）：图１４振幅为２ｍｍ、频率为３Ｈｚ时仿真曲线和试验曲线对比７５－７８．综合图８～图１４所示可以看出，通过仿真得到的［５］路纯红，白鸿柏，胡仁喜．金属橡胶／橡胶复合叠层耗能器迟滞回线与试验得到的迟滞回线拟合良好，充分说明动力学模型［Ｊ］．振动工程学报，２００８，２１（５）：４９３－４９６．［６］李宇燕，黄协清，毛文雄．位移和速度三次非线性因素对参数辨识的精度满足需要，并验证了参数识别结果的金属橡胶干摩擦系统幅频特性的影响［Ｊ］．机械强度，正确性。２００５，２７（４）：４３６－４３９．５结语［７］李宇燕，黄协清，曹岩，等．非线性系统对金属橡胶干摩擦振动响应的影响研究［Ｍ］．机械强度，２００８，３０（４）：５４４－通过本文研究，可得到如下结论。５４８．１）随着振幅或频率的增大，编织-嵌槽型金属橡胶隔振器的刚度逐渐减小，呈渐软特性。２）振幅或频率的增大会导致隔振系统振动响应作者简介：李拓，硕士研究生，主要研究方向为车辆振动与冲击防护、金幅频特性曲线的带宽变窄。属橡胶材料。３）振幅或频率的增大还会在一定程度上导致隔Ｅ-ｍａｉｌ：ｌｔ０２２９＠１２６．ｃｏｍ振系统阻尼的减小。收稿日期：２０１３-０７-３０１０１