CN113124097A - 一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器及方法 - Google Patents

一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器及方法，属于水下航行器隔振缓冲领域；包括第一层O型橡胶隔振圈、第一层抱箍、第二层C型橡胶隔振圈、第二层C型抱箍；第一层O型橡胶隔振圈套装于动力装置舱体上；第一层抱箍包括三个圆环和第一连接梁，三个圆环分别同轴套装于第一层O型橡胶隔振圈外周面及两侧的电池舱上，相邻圆环之间通过第一连接梁刚性连接；第二层C型橡胶隔振圈和第二层C型抱箍均为C形环，同轴包覆于两侧电池舱的第一层抱箍外周面。本发明引入电池舱部件作为中间质量，可以降低系统隔振频率，提高500Hz以下的中低频段缓冲隔振性能。

Description

一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器及方法
技术领域
本发明属于水下航行器隔振缓冲领域，具体涉及一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器及方法。
背景技术
水下滑翔机是一种新型的水下航行器，内部的动力装置主要是浮力调节装置和质心调节装置，具有使用费用低、续航能力强、隐蔽性高和控制灵活等特点。水听器是水下滑翔机进行环境观测的主要测量设备。在水下滑翔机低速运行时，水听器会受到动力装置内的机械噪声的干扰，需要降低水下滑翔机动力装置的振动向水听器位置处的传递。隔振系统是降低动力装置的振动向外传递的最有效的方法之一。现有水下装备的动力系统整机隔振设计通常为单层橡胶隔振圈，但是单层隔振系统的中低频段隔振性能较差，为了提高隔振性能，需要降低橡胶圈的刚度，使得结构的稳定性较差。经文献检索，现有文献主要对单层橡胶隔振圈进行研究，主要通过改变橡胶隔振圈的刚度调节系统隔振频率，由于单层橡胶隔振圈的调整方法只是通过改变舱体外围的橡胶隔振圈的结构尺寸和材料参数来实现，而由于舱体外围的空间狭隘导致橡胶隔振圈通过增厚实现隔振的效果受限，因此，单层橡胶隔振圈的刚度调节通常难以满足500Hz以下中低频良好的隔振需求。双层隔振系统是降低隔振频率的有效方法，但是传统的设计中会引入额外结构的质量来增强隔振效果，在水下滑翔机这种需要尽量减轻机体质量，并且空间紧凑水下设备中双层隔振的设计会受到限制。
考虑到水下滑翔机动力装置内部结构形式特点，为了提高中低频段的隔振性能，设计了一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层橡胶圈隔振器，利用电池舱段作为中间质量，降低了隔振频率。一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层橡胶圈隔振器在调节系统隔振频率，可以同时调节第一层橡胶隔振圈和第二层橡胶隔振圈的结构尺寸和材料硬度，在狭隘空间内调节参数更多，在500Hz以下中低频段隔振性能设计时避免了空间尺寸的限制。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器及方法，利用电池舱段作为中间质量，采用双层隔振结构，能够降低隔振频率，提高500Hz以下的中低频隔振性能，降低振动能量的传递。
本发明的技术方案是：一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器，其特征在于：包括第一层O型橡胶隔振圈、第一层抱箍、第二层C型橡胶隔振圈、第二层C型抱箍；所述第一层O型橡胶隔振圈为圆环橡胶，同轴套装于动力装置舱体上；所述第一层抱箍包括三个圆环和第一连接梁，三个圆环分别同轴套装于第一层O型橡胶隔振圈外周面及两侧的电池舱上，相邻圆环之间通过第一连接梁刚性连接；
所述第二层C型橡胶隔振圈为C形环橡胶，两个第二层C型橡胶隔振圈成镜像设置，同轴包覆于两侧电池舱的第一层抱箍外周面，C形环橡胶的开口部位于第一连接梁处，且不与第一连接梁干涉；所述第二层C型抱箍包括C形环结构和第二连接梁，两个第二层C型抱箍成镜像设置，同轴包覆于两个第二层C型橡胶隔振圈外周面，其开口部位于第一连接梁处，且不与第一连接梁干涉；
所述第二层C型抱箍通过第二连接梁与主机翼骨架刚性连接。
本发明的进一步技术方案是：所述第一层O型橡胶隔振圈和第二层C型橡胶隔振圈均选用丁腈橡胶。
本发明的进一步技术方案是：所述第一层O型橡胶隔振圈通过硫化处理安装在第一层抱箍结构上。
本发明的进一步技术方案是：所述第二层C型橡胶隔振圈通过硫化处理安装在第二层C型抱箍结构上。
本发明的进一步技术方案是：所述连接梁包括平行设置的上、下两层，用于实现相邻件的稳定连接。
一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器的设计方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：橡胶隔振圈的材料和刚度计算：根据实际机械结构振动情况选择橡胶硬度HS，计算杨氏模量E，
步骤二：橡胶隔振圈刚度计算：第一层O型橡胶隔振圈的刚度计算为k1＝dAL1E/h1，第二层C型橡胶隔振圈的刚度计算为k2＝2dAL2E/h2；其中AL为橡胶层约束面积，即橡胶层和抱箍接触的面积；h为橡胶层厚度，d为动静刚度比；
步骤三：隔振性能计算：将双层隔振系统的质量参数，刚度参数带入多自由度动力学系统中求解振动响应和振动传递率，评估双层隔振系统的隔振性能，双层隔振系统的简化动力学模型为：
Figure BDA0003025583130000031
其中，mA，mB和mC分别为动力装置、双侧电池和双侧机翼的质量，k1为第一层O型橡胶隔振圈的刚度，k2为第二层C型橡胶隔振圈的刚度；k为刚性连接的刚度，即第二连接梁的刚度；xA，xB和xC分别为动力装置、电池和机翼的位移，
Figure BDA0003025583130000035
和
Figure BDA0003025583130000036
分别为动力装置、电池和机翼的加速度，fA为动力装置激励；
步骤四：计算隔振系统的振动传递率：通过步骤三得到双层隔振系统的振动响应为
Figure BDA0003025583130000034
将步骤三的k1和k2设置为k，再计算得到隔振前的系统振动响应为
Figure BDA0003025583130000033
双层隔振系统的振动传递率为
Figure BDA0003025583130000032
当振动传递率在中低频点大部分小于1时，表明模型参数为适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层橡胶隔振圈设计的适合参数；
步骤五：计算橡胶隔振圈的静态变形率：所述第一层O型橡胶隔振圈的静态变形率为t1＝δA/h1，第二层C型橡胶隔振圈的静态变形率为t2＝δB/h2，其中，δA为第一层O型橡胶隔振圈的静态变形量，δA＝mAg/k1；δB为第二层C型橡胶隔振圈的静态变形量，δB＝mBg/k2；
步骤六：选择振动传递率在10Hz-500Hz频率区间中的80％的频率点小于1，静态变形率小于15％的设计参数作为适合的双层橡胶隔振圈设计参数，能够同时满足隔振需求和强度需求。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，橡胶材料杨氏模型按下式计算：E＝(15.75+2.15HS)/(100-HS)。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1.相对于动力装置整机的单层橡胶隔振圈，抱箍型式的双层橡胶圈隔振器引入电池舱部件作为中间质量，可以降低系统隔振频率，提高500Hz以下的中低频段缓冲隔振性能。由隔振原理可知，单自由度系统的一阶固有频率为
Figure BDA0003025583130000041
隔振频率是一阶固有频率的
Figure BDA0003025583130000042
倍。双层隔振系统是通过增加中间质量，降低隔振频率。由于本发明引入的电池质量与动力装置质量相近，使得隔振系统总质量增加到原来的2倍，隔振系统隔振频率降低到原来的
Figure BDA0003025583130000043
倍。
2.本发明的一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层橡胶隔振器在水下滑翔机的应用上只是改变了抱箍的形式，增加了两层橡胶隔振圈，没有引入过多的质量和浪费结构空间，满足结构紧凑性和质量轻质性的要求。
3.相对于整机动力装置的单层橡胶隔振圈，抱箍型式的双层橡胶圈隔振器引入双层橡胶圈，提高了整体缓冲隔振的效果。在水下滑翔机的应用中能够更好的化解动力装置向机翼方向传递的冲击力，减小了机翼处的水听器等仪器受到的冲击力。
4.双层隔振系统的第二层抱箍结构采用两边C型不封闭圈形式连接整机的动力装置和电池，可以保证水下滑翔机整机动力装置和电池装置一体的双层橡胶圈隔振系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明适用于水下滑翔机的抱箍型式双层橡胶隔振器结构示意图；
其中，(a)为适用于水下滑翔机的抱箍型式双层橡胶隔振器结构前视图，(b)为(a)的A-A剖面侧视图，(c)为(a)的B-B剖面侧视图；
图2为单层橡胶隔振系统和双层橡胶隔振系统的振动响应对比图；
图3为单层橡胶隔振系统和双层橡胶隔振系统的振动传递率对比图。
附图标记说明：1、动力装置舱；2、第一层O型橡胶隔振圈；3、第一层抱箍；4、电池舱；5、第二层C型橡胶隔振圈；6、第二层C型抱箍；7、主机翼骨架。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参考图1，为本发明公开的一种适用于水下滑翔机的抱箍型式双层橡胶隔振器，包括动力装置舱1、第一层O型橡胶隔振圈2、第一层抱箍3、电池舱4、第二层C型橡胶隔振圈5、第二层C型抱箍6和主机翼骨架7。第一层O型橡胶隔振圈2为圆环橡胶，同轴套装于动力装置舱体1上；第一层抱箍3包括三个圆环和第一连接梁，三个圆环分别同轴套装于第一层O型橡胶隔振圈2外周面及两侧的电池舱4上，相邻圆环之间通过第一连接梁刚性连接；
第二层C型橡胶隔振圈5为C形环橡胶，两个第二层C型橡胶隔振圈5成镜像设置，同轴包覆于两侧电池舱的第一层抱箍3外周面，C形环橡胶的开口部位于第一连接梁处，且不与第一连接梁干涉；第二层C型抱箍6包括C形环结构和第二连接梁，两个第二层C型抱箍6成镜像设置，同轴包覆于两个第二层C型橡胶隔振圈5外周面，其开口部位于第一连接梁处，且不与第一连接梁干涉；所述第二层C型抱箍6通过第二连接梁与主机翼骨架刚性连接。
第一层抱箍3和第二层C型抱箍6通过第二层C型橡胶隔振圈连接。第二层C型抱箍6为C型不封闭抱箍结构，与第一层抱箍结构通过第二层C型橡胶隔振圈5柔性连接。C型不封闭抱箍结构在不与第一层抱箍结构干涉的前提下，包围的角度越大，整机隔振结构稳定性越好，同时对隔振效果影响较小。
本实施案例的橡胶优先选用丁腈橡胶，其橡胶材料具有阻尼较大，隔振性能好，与金属的粘合性好的优势。第一层O型橡胶隔振圈2通过硫化处理安装在第一层抱箍3结构上。第二层C型橡胶隔振圈5通过硫化处理安装在第二层C型抱箍6结构上。第二层C型抱箍6通过定位螺母与机翼骨架7的安装孔插合，第二层C型抱箍6结构上下抱住整机结构，实现整体动力装置双层隔振系统的连接和固定。
本发明一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器的设计方法，具体步骤如下：
步骤一：橡胶隔振圈的材料和刚度计算：根据实际机械结构振动情况选择橡胶硬度HS，计算杨氏模量E，
步骤二：橡胶隔振圈刚度计算：第一层O型橡胶隔振圈的刚度计算为k1＝dAL1E/h1，第二层C型橡胶隔振圈的刚度计算为k2＝2dAL2E/h2；其中AL为橡胶层约束面积，即橡胶层和抱箍接触的面积；h为橡胶层厚度，d为动静刚度比；
步骤三：隔振性能计算：将双层隔振系统的质量参数，刚度参数带入多自由度动力学系统中求解振动响应和振动传递率，评估双层隔振系统的隔振性能，双层隔振系统的简化动力学模型为：
Figure BDA0003025583130000061
其中，mA，mB和mC分别为动力装置、双侧电池和双侧机翼的质量，k1为第一层O型橡胶隔振圈的刚度，k2为第二层C型橡胶隔振圈的刚度；k为刚性连接的刚度，即第二连接梁的刚度；xA，xB和xC分别为动力装置、电池和机翼的位移，
Figure BDA0003025583130000062
和
Figure BDA0003025583130000063
分别为动力装置、电池和机翼的加速度，fA为动力装置激励；
步骤四：计算隔振系统的振动传递率：通过步骤三得到双层隔振系统的振动响应为x2，将步骤三的k1和k2设置为k，再计算得到隔振前的系统振动响应为
Figure BDA0003025583130000064
双层隔振系统的振动传递率为
Figure BDA0003025583130000065
当振动传递率在中低频点大部分小于1时，表明模型参数为适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层橡胶隔振圈设计的适合参数；
步骤五：计算橡胶隔振圈的静态变形率：所述第一层O型橡胶隔振圈的静态变形率为t1＝δA/h1，第二层C型橡胶隔振圈的静态变形率为t2＝δB/h2，其中，δA为第一层O型橡胶隔振圈的静态变形量，δA＝mAg/k1；δB为第二层C型橡胶隔振圈的静态变形量，δB＝mBg/k2；
步骤六：选择振动传递率在10Hz-500Hz频率区间中的80％的频率点小于1，静态变形率小于15％的设计参数作为适合的双层橡胶隔振圈设计参数，能够同时满足隔振需求和强度需求。
为了进一步说明本方法的效果，现以某种型号的水下滑翔机的动力装置安装单层橡胶圈隔振系统和双层橡胶圈隔振系统为分析对象，进行计算结果对比分析。
两种隔振系统的有限元计算结果如图2和图3所示。图2的计算结果显示，当抱箍形式的双层隔振橡胶圈结构用于某种型号的水下滑翔机结构时，相对于单层橡胶圈隔振系统的应用上，在10-500Hz的中低频段，单层橡胶圈隔振系统的最大振动峰值为0.27m^2/s，双层橡胶圈隔振系统的最大振动峰值为0.04m^2/s。图3的计算结果显示，抱箍形式的双层橡胶圈隔振系统的振动传递率在100Hz到500Hz的频段低于1，而单层橡胶圈隔振系统的振动传递率在100Hz到500Hz的频段存在较多大于1频率点。说明双层橡胶圈隔振系统可以更好的减小动力装置的振动能量传递。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器，其特征在于：包括第一层O型橡胶隔振圈、第一层抱箍、第二层C型橡胶隔振圈、第二层C型抱箍；所述第一层O型橡胶隔振圈为圆环橡胶，同轴套装于动力装置舱体上；所述第一层抱箍包括三个圆环和第一连接梁，三个圆环分别同轴套装于第一层O型橡胶隔振圈外周面及两侧的电池舱上，相邻圆环之间通过第一连接梁刚性连接；
所述第二层C型橡胶隔振圈为C形环橡胶，两个第二层C型橡胶隔振圈成镜像设置，同轴包覆于两侧电池舱的第一层抱箍外周面，C形环橡胶的开口部位于第一连接梁处，且不与第一连接梁干涉；所述第二层C型抱箍包括C形环结构和第二连接梁，两个第二层C型抱箍成镜像设置，同轴包覆于两个第二层C型橡胶隔振圈外周面，其开口部位于第一连接梁处，且不与第一连接梁干涉；
所述第二层C型抱箍通过第二连接梁与主机翼骨架刚性连接。
2.根据权利要求1所述适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器，其特征在于：所述第一层O型橡胶隔振圈和第二层C型橡胶隔振圈均选用丁腈橡胶。
3.根据权利要求1所述适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器，其特征在于：所述第一层O型橡胶隔振圈通过硫化处理安装在第一层抱箍结构上。
4.根据权利要求1所述适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器，其特征在于：所述第二层C型橡胶隔振圈通过硫化处理安装在第二层C型抱箍结构上。
5.根据权利要求1所述适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器，其特征在于：所述连接梁包括平行设置的上、下两层，用于实现相邻件的稳定连接。
6.一种权利要求1所述适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器的设计方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：橡胶隔振圈的材料和刚度计算：根据实际机械结构振动情况选择橡胶硬度HS，计算杨氏模量E，
步骤二：橡胶隔振圈刚度计算：第一层O型橡胶隔振圈的刚度计算为k1＝dAL1E/h1，第二层C型橡胶隔振圈的刚度计算为k2＝2dAL2E/h2；其中AL为橡胶层约束面积，即橡胶层和抱箍接触的面积；h为橡胶层厚度，d为动静刚度比；
步骤三：隔振性能计算：将双层隔振系统的质量参数，刚度参数带入多自由度动力学系统中求解振动响应和振动传递率，评估双层隔振系统的隔振性能，双层隔振系统的简化动力学模型为：
Figure FDA0003025583120000021
其中，mA，mB和mC分别为动力装置、双侧电池和双侧机翼的质量，k1为第一层O型橡胶隔振圈的刚度，k2为第二层C型橡胶隔振圈的刚度；k为刚性连接的刚度，即第二连接梁的刚度；xA，xB和xC分别为动力装置、电池和机翼的位移，
Figure FDA0003025583120000022
和
Figure FDA0003025583120000023
分别为动力装置、电池和机翼的加速度，fA为动力装置激励；
步骤四：计算隔振系统的振动传递率：通过步骤三得到双层隔振系统的振动响应为
Figure FDA0003025583120000024
将步骤三的k1和k2设置为k，再计算得到隔振前的系统振动响应为
Figure FDA0003025583120000025
双层隔振系统的振动传递率为
Figure FDA0003025583120000026
当振动传递率在中低频点大部分小于1时，表明模型参数为适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层橡胶隔振圈设计的适合参数；
步骤五：计算橡胶隔振圈的静态变形率：所述第一层O型橡胶隔振圈的静态变形率为t1＝δA/h1，第二层C型橡胶隔振圈的静态变形率为t2＝δB/h2，其中，δA为第一层O型橡胶隔振圈的静态变形量，δA＝mAg/k1；δB为第二层C型橡胶隔振圈的静态变形量，δB＝mBg/k2；
步骤六：选择振动传递率在10Hz-500Hz频率区间中的80％的频率点小于1，静态变形率小于15％的设计参数作为适合的双层橡胶隔振圈设计参数，能够同时满足隔振需求和强度需求。
7.根据权利要求6所述适用于水下滑翔机的抱箍形式的双层隔振器的设计方法：所述步骤一中，橡胶材料杨氏模型按下式计算：E＝(15.75+2.15HS)/(100-HS)。
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