冲击隔离发展浅谈
⽂章编号:1006-1355(2002)05-0022-04
英汉翻译>brush的复数形式冲击隔离发展浅谈
周⽂亮，王强
(中国船舶重⼯集团公司第七o 四研究所，上海 200031)
摘要：本⽂简要介绍了冲击现象及特点，并从隔振器建模、冲击测量以及冲击分析⽅法等⼏个⽅⾯对国内外发展趋势进⾏了阐述。
关键词：冲击；隔离技术；冲击隔离器中图分类号:O32 ⽂献标识码:A
The Development of S hock Isolation :An Overview
Z H O U Wen -liang ,WANG Qiang
(Shanghai M arine Equipment Rearch Institute,Shang hai 200031,China)
Abstract :In this article,a simple introduction of shock and its characteristics is prented.Besides,the developments of Modelling of the shock isolator and calculating its transient respon as w ell as the analysis of shock sig nal are discusd. Key words :shock;isolation technique;shock isolator
收稿⽇期:2002-06-06
作者简介：周⽂亮(1978-)，男,⼭东淄博⼈，在读硕⼠研究⽣。
引⾔
冲击普遍存在于⾃然界中。⽇常⽣活中的物体跌落、锤头打击锻件、车辆运⾏中的颠簸和碰撞、飞机着陆、导弹及⽕箭的发射、舰船受到⽔中兵器的打击等，都伴随着冲击的产⽣。
凡系统受到瞬态激励，其位移速度、加速度、发⽣突变的现象都可以称作冲击。这个激励可以是外⼒突然加在设备上，如⼦弹击中物体、锤头打击锻件等，这种冲击称做外⼒冲击，相应的冲击隔离称作主动(积极)隔冲。如果这个激励是机座以很⾼的加速度对其上的设备的冲击，这种冲击就称为基座冲击。如舰船遇到⽔中爆炸冲击就属于这种冲击，此时冲击隔离叫做被动(消极)隔冲，见图1所⽰。
图1 主动隔冲和被动隔冲
不论哪种形式的冲击，它们都具备以下共同特点:(1)冲击作⽤时动能传递到系统的时间与系统的⾃然周期相⽐短的多。(2)冲击激励函数是瞬态、⾮周期的、冲击作⽤下系统所产⽣的运动为瞬态运动,⽽振动⼀般是周期性，稳态振动。(3)在冲击作⽤下，系统的运动响应和冲击作⽤时间(t c )及系统的固有频率(f 0或S 0)有关。(4)系统对冲击作⽤的响应(包括位移、速度、加速度)在冲击作⽤持续时间内与作⽤结束后是不同的，前者称作初始响应，后者称残余响应
[1]
。对舰船设备所受的冲击来讲，最⼤响
应往往发⽣在残余响应阶段。get to
冲击问题在军事上显得格外重要。例如,⽕炮的发射伴随着冲击响应,⽽炮⼝响应⼜影响射击的精度。飞机、舰船受到兵器打击也都伴随着冲击，如何减少这些冲击带来的后果，保护设备和⼈⾝安全成为军事上研究的⼀个重要⽅⾯。例如，在第⼆次世界⼤战初期，美国军舰由于舰上⼤炮发射产⽣的冲击⽽导致舰载设备的破损。⼤规模的的舰船抗冲击试验和冲击隔离设计理论研究开始于1946年[2]
。⼆战刚结束，美国便在太平洋⽐基尼半岛对从⽇本俘获的⼤量舰船进⾏了⼀系列抗爆炸冲击实验，并
对其实验结果进⾏了系统的理论分析
[3-6]
。1947
年美国海军正式召开第⼀届冲击和振动研讨会
(shock and vibration Sy mposium)，到2001年11⽉
已经举办了72届。⼀般来讲，舰船所受的冲击环境主要有三种:⼀是接触性爆炸，如遭受导弹、激光炸弹直接攻击;⼆是⽔中⾮接触性爆炸，如遭受⽔雷爆炸的冲击，主要破坏舰载设备；三是⾃⾝武器发射时产⽣的反冲⼒造成的冲击，这种冲击也会影响舰载设备的正常运⾏。近年来，随着⽔中兵器的发展，不仅攻击舰船的命中率提⾼,⽽且爆炸的能量也越来越⼤，对舰船的威胁也越来越严重。因此，各国海军都把舰船的抗冲能⼒和舰船的⽣命⼒研究作为⾃⼰的重要研究任务。我国从上世纪七⼗年代末⼋⼗年代初开始对船舶设备的抗冲击性能进⾏研究，获得了许多有⽤的数据资料，取得了⼀定的研究成果，但与西⽅先进国家相⽐⽆论是理论研究还是试验技术上都存在⼀定的差距。
1冲击隔离技术发展
1.1冲击隔离
顾名思义，冲击隔离是通过隔离的途径来减少冲击带来的危害。具体的讲，它通过在基础和设备之间加⼊弹性元件(缓冲器或减振器)，将瞬态、强烈的冲击能量先以位移能的形式最⼤限度的储存在其中，然后按隔离系统本⾝的特性缓慢的将能量释放出来，从⽽减少激励从基础传递到设备或从设备传递到基础所引起的响应，以达到保护设备的⽬的。
世界上最遥远的距离 泰戈尔
冲击隔离不同于振动隔离，它主要有以下⼏个特点:1.冲击隔离研究的是瞬态过程,⽽振动则考虑的是系统稳态过程。2.冲击隔离物体的响应是⼀随时间衰减的瞬态响应，其频率等于隔离系统有阻尼时的固有频率,⽽振动隔离中物体振动频率等于激励频率或等于隔振系统的固有频率。3.在隔离效果的评价⽅⾯：振动隔离是以激励频率(f)或频率⽐(f/f0)为横坐标的振动传递率(T v)特性曲线来表⽰的，这⾥f为激励频率,f0为隔振系统的固有频率，振动隔离传递率的定义是：响应的简谐振动幅值(&X m)与激励的简谐振动幅值(&Y m)之⽐。⽽冲击隔离则以冲击脉冲持续时间(t0)或时间⽐(t0/S0)为横坐标的冲击传递率(Ts)特性曲线来表⽰的，这⾥t0为脉冲有效持续时间,S0为隔冲系统的固有频率，冲击传递的定义为：瞬态响应的幅值(&X m)与冲击激励幅值(&Y m)之⽐。
冲击隔离器(shock isolator)作为冲击隔离的关键设备，在冲击隔离中起着举⾜轻重的作⽤，根据隔冲的要求不同冲击隔离器性能也有所不同。有时为了获得较⼩的相对位移，隔离器刚度要⼤，当为了获得较⼩的加速度响应时隔离器刚度要⼩。但不管怎样冲击隔离器的刚度往往设计成⾮线性。常见冲击隔离器有钢丝绳减振器(w ire-rope isolators)、空⽓弹簧(air springs)、液压减振器(hydraulic dampers)
、橡胶减振器(elastom eric dampers)以及这些结构的组合结构。国外⽬前开发的新型冲击隔离器有⽓体隔冲器(air Springs)和ERF减振器，以及美国海军专门为战舰研究的3kip SAM隔冲器等。
1.2隔冲器的建模发展
关于冲击隔离器的模型长期以来⼀直是研究的热点A.K.M allik,C.M.H arris,J.C.Snowdon等⼈⾸先研究了冲击隔离的线性模型[7-10]。但实际的冲击隔离往往伴随着⼤位移，原有的线性假设不能满⾜计算的精度要求。故近年的研究都集中在冲击的⾮线性模型及冲击响应研究，这其中包括不同刚度⾮线性和不同阻尼⾮线性之间相互组合。R.D. M indlin研究了在半正弦冲击信号下线性阻尼和⾮线性弹簧模型的响应[11]。J.C.Snow don将冲击隔离器建模为⼀个⾮线性弹簧并联⼀个粘性阻尼的模型，并研究了其响应[10]。R.R.Guntur等研究了线性阻尼和⼆次⽅阻尼缓冲器的冲击响应[12]。M.S. Hundal对橡胶型缓冲器进⾏了⾮线性建模，其中刚度部分为⼀个线性部分加上⼀个⽴⽅⾮线性，阻尼为库仑粘性阻尼，并通过试验对其加以验证[13]。PeleG研究了⾮线性系统的冲击响应[14]。N.Chan-dar等研究了⾮线性阻尼和⾮线性刚度的减振器受三种不同的基础激励下的响应[15]。近年来，国内学者对隔冲器的建模和⾮线性也进⾏⼴泛的研究，沈荣瀛等对双层隔振系统的刚度⾮线性进⾏了讨论,⽐较了上下两层隔振器分别为平⽅型,⽴⽅型等不同组合时的响应，得出刚度为上层⽴⽅渐软型下层平⽅渐硬型时系统的隔冲效果最理想。尤国英等对燃⽓轮机的抗冲击进⾏了⾮线性研究,⽐较了减震器的刚度⾮线性对系统响应的影响[17]。杨平研究了⼀种新型固流耦合减振器的冲击⾮线性⼒学特征[18]。
纵观国内外的研究成果对于隔冲器的⾮线性刚度已有多种模型，如⾮线性双刚度、正切弹性刚度、双曲正切弹性刚度、多项式弹性刚度等。阻尼⾮线性模型有平⽅阻尼、库仑阻尼、阻尼因⼦等。见图2。
2冲击分析技术
2.1冲击信号提取
图2
⼯程上为了更好的研究冲击现象，要求准确的测量冲击的时域信号。也就是说要将所需要的结构响应的本来⾯⽬恢复出来，使得信号的各部分都能和结构的响应特性联系起来。⼯程上常见的冲击信号有：矩形冲击脉冲、梯形冲击脉冲、对称三⾓形冲击脉冲、半正弦冲击脉冲等等。其中半正弦脉冲、梯形脉冲在冲击试验中⼴泛使⽤。船舶设备受到的冲击环境可以在跌落台产⽣半正弦或梯形波来得到。pathway
由于冲击信号具有⾮周期、瞬态的特点，其频谱都是连续谱，频谱范围分部在0-]上，对同⼀冲击信号⽽⾔，脉冲持续时间越短，频谱分布越宽。由此可见，要全部测准冲击信号是不可能的，因为任何测
试系统都不可能具有0-]的测量频带，再加上冲击信号往往能量⽐较⼤，给测量和分析带来了⼀定难度。
⽬前，在冲击信号的提取和分析⽅⾯国内学者做了⼤量⼯作[23-26]，已形成较好的修正测量误差的⽅法。⽬前⼯程中应⽤最⼴的频域分析⽅法是快速傅⽴叶变换，但⽤傅⽴叶变换来分析冲击信号会由于冲击信号的瞬态性和⾮周期性，使其频域的波形分布在0-]的范围上，频率成分丰富，不出现较⼤的谱峰，容易和其他频率成分混在⼀起，给识别带来很⼤难度，试验结果误差较⼤。因此近年来⼈们开始尝试⽤新的信号处理⽅法来分析冲击信号[25-26]，最主要的是⼩波分析。
⼩波分析是近⼏⼗年来发展起来的新领域。它由法国从事⽯油信号处理的⼯程师J.Morlet在1974年⾸先提出，由于它是⼀个时间和频率的局域变换，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进⾏多尺度细化分析(Multiscale Analysis)，因⽽能有效的从信号中提取信息，解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题，在⼯程上应⽤⼗分⼴泛。⼩波分析在振动冲击领域的应⽤国外已有⼤量研究[30-32]。国内学者也于近⼏年开始研究[26]，研究结果表明⼩波分析在冲击信号分析中不但可以反映出瞬态冲击信号的时间历程和频率的组成,⽽且还可反映出冲击响应信号的瞬态特性，具有⼴阔的研究空间，是今后冲击信号分析发展的⽅向。
2.2冲击分析⽅法的发展
传统的冲击分析⽅法是通过⼤量的试验，对测定的数据进⾏分析得出经验公式，再结合动⼒学理论对⼯程上问题加以分析。这种⽅法简便实⽤，在⼀定程度上可以满⾜⼯程的需要。但随着冲击问题研究的深化，这些⽅法的局限性越来越⼤，已⽆法满⾜计算精度的需要。如Duhamel积分、FFTL、都仅适⽤线性系统，冲击响应谱仅适⽤单⾃由度隔冲设计。冲击问题实际上是⼀个⾮线性问题，较好的掌握冲击现象的规律依赖于⾮线性分析技术的发展。纵观国内外⽂献对⾮线性系统的瞬态分析有Lin-earization法[19]、Ultraspericalpolynom ials法[20]、Poincare.s perturbation扩展法[21]、IH B法[22]等等。
随着计算机技术的不断进步，许多现代分析⽅法已经开始应⽤到冲击隔离上来，如有限元法、计算机仿真技术、⾮线性模态分析与载荷识别、实验模态技术等等。值得⼀提的是，许多前沿科学也应⽤到了振动冲击领域，如⼈⼯神经⽹络技术在⾮线性建模和参数识别上，不仅避免了对其内部机理的繁琐分析，计算精度也⼤⼤提⾼。如⽂献[27]⽤⼈⼯神经⽹络对杜芬型阻尼隔振器的⾮线性参数进⾏了识别。杨晓伟等对包装缓冲层的⾮线性参数识别进⾏了尝试[28]。⽂献[29]利⽤神经⽹络对振动系统⾮线性阻尼进⾏了识别。所有这些研究结果表明⽤神经⽹络可以较好的发挥其⾮线性优势，较精确的反映了缓冲材料的⾮线性特性。可以预见这些强有⼒的分析技术必将会⼤⼤促进冲击隔离研究。
3结束语
⽬前国内对隔冲器的建模多数集中在刚度的⾮线性,⽽对阻尼的研究较少,⽽国外⽬前多集中在不同阻尼模型和不同刚度模型的组合，以及对响应的影响，寻求最好模型模拟减振器承受冲击载荷时状态。因此，针对不同类型的减振器寻找恰当的减振器模型为今后设计和研究专门的抗冲击减振器的⼀个⽅向。另外，考虑到实际⼯作环境，有必要将单⾃由度的冲击模型发展到多⾃由度，所以对多⾃由度的冲击⾮线性建模是今后冲击研究⼀个⽅向。最后，由于⾮线性的复杂性，如何更精确计算各种⾮线
性模型的冲击响应也是要解决的问题。
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