摘要： 本文为船用4135型柴油机组设计了一种新型金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器，并建立了隔振器动力学有限元模型。对该模型进行准静力学分析，得出隔振器的非线性滞回曲线。建立整体隔振系统模型，利用功率流理论进行参数优化分析，并验证优化效果。分析表明该新型隔振器有着非线性明显、隔振效率高等特点。
　　关键词： 金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器，有限元，非线性，ANSYS优化设计
　　引言
　　当今在各种工业部门存在着数以万计的有害振动问题，而控制有害振动传递的有效手段就是隔振。隔振器的特性对整个系统的隔振效率起着决定性的作用，因此它是隔振系统的关键。随着科术的不断进步，人们对隔振性能的要求也不断提高，传统隔振器在某些方面已无法满足需求。近年发展起来的复合隔振器是降低振动传递的有效工具[1][2]。
　　本文设计出一种装配在4135型柴油机和水力测功器组合机组下面的新型金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器，并建立弹性耦合隔振系统动力学模型，并基于功率流方法进行了优化分析，然后利用瞬态及谐响应分析验证隔振效果。
　　1.新型隔振器的设计方案
　　图1即为设计的金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器，其制作工艺相对简单，如图所示将液体阻尼器固定在上下夹板之间。液体阻尼器是由活塞、套筒和阻尼液构成。其原理就是活塞在装满阻尼液的套筒中上下移动，会受到阻尼作用。然后在液体阻尼器外套装一根较粗的弹簧，在夹板两侧安装钢丝绳隔振器。其中上下夹板为钢板，在夹板的上下面加一层邵氏硬度为60。的橡胶板。两侧钢丝绳夹板长13cm，夹板钻有安装孔。此隔振器是被动隔振器的一种，可以承受拉压的作用力，也可以承受剪切的作用力。
　　增加的液体阻尼器克服了弹簧隔振器和钢丝绳隔振器内阻不够的缺点，也使得该隔振器可以用于大振幅振动工况和低频振动的工况。同时发挥了二者优点，成为一种具有大阻尼，
　　较宽频带范围，承载能力也有很大提高的隔振器。而且可针对不同隔振条件，改变阻尼液的成分，增加了隔振器的实用性。另外该隔振器结实牢固不易老化，能够在恶劣的条件下使用，使用寿命长，提高了工作的稳定性。
　　2.橡胶钢丝复合隔振器的动力学建模
　　将金属弹簧钢丝绳液体阻尼复合隔振器的试验系统近似简化为单自由度隔振系统，其隔振系统的力学模型如图2所示[3]。
　　3新型隔振器性能分析计算
　　3.1建立隔振器模型
　　利用有限元分析软件ANSYS建立了金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器的有限元模型。夹板和轭板处理为三维实体单元，选用solid45单元；采用combin14号单元对金属弹簧和液体阻尼器进行模拟。因为存在不同材料之间的接触问题，需要设定接触单元targe177和conta177。模型简化遵循尺寸不变和质量不变的原则，如图3所示。
　　本隔振器钢丝绳采用6×19+1聚丙烯芯，通过钢丝绳单轴拉伸试验数据可以计算出钢丝绳材料的弹性模量为86300MPa，泊松比选为0.33。压板采用45号钢，其弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3。
　　在金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器的有限元分析中钢丝绳的模拟需要弹塑性随动硬化模型来描述钢丝绳材料的非线性特性。可以通过钢丝绳材料的单轴拉伸试验来取得材料的应力—应变关系，如图4所示。
　　3.2新型隔振器动态特性分析
　　为了模拟隔振器的动态特性，在隔振器上表面加装质量块，下底面的所有方向上都加以约束，x、y、z三个方向的自由度全部设为零。金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器的有限元模型如图5所示。
　　对该隔振器进行准静力学分析。模拟试验中将隔振器固定在激振仪上，计算其动态特性，对隔振器施加3、5、7mm的约束，得到隔振器回复力与位移关系的滞回曲线。从图6中可以看到，在不同变形幅值下金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器进行三个循环加载与卸载仿真结果都表现出明显的非线性特性和迟滞特性。当变形较大的时候仿真得出的迟滞回线包围的面积变大，同时迟滞回线的中线顺时针方向转动一定角度。该隔振器的刚度与变形幅值关系曲线表现出明显的非线性特点，同时可以看出其刚度表现出“软”特性，即随着变形幅值增大刚度变小。
　　4.隔振系统模型分析计算
　　4135型柴油机、水力测功器和六组隔振器组成了整个隔振系统，对该系统进行建模，有限元模型如图7所示。
　　4.1隔振系统优化设计计算
　　隔振系统设计的目标就是减少传递到基础的振动能量，通过合理调整隔振器刚度系数和阻尼等参数，可以对隔振系统进行优化，从而减小传递到基础的振动功率流。稳态功率流的计算公式为[4]
　　式中：ω为振动力频率；η为阻尼消耗因子；m为质量；为振动速度的平方。由该公式可以看出输入功率流与振动速度的平方均值成正比关系，所以如果能够降低输入基础的功率流，就可以减弱基础振动的强度。以此为依据设计目标为使通过6个隔振器传到基础的总功率流达到最小。其计算表达式为
　　（15）式为（14）式积分转化的频率间隔为Δω的N个谐响应分析的加和，NΔω为总的分析频率。对地基底面全约束，系统初始固有频率为90.951HZ，为了避免共振区的影响，计算从大于一阶固有频率开始计算，本文取频率范围是100到500HZ，4HZ的频率间隔，计算100个子部。
　　激励力为复合振动力，垂向作用力fz=100cos25πt，横向作用力fx=100sin25πt，单位为N，作用点在机组重心。
　　优化设计变量为弹簧刚度k1到k6，阻尼器阻尼c1到c6，其取值范围分别是：（105，2×106）N/m，（2×103，5×104）Ns/m，初始值为106N/m，2.5×104Ns/m。
　　4.2计算结果与分析
　　为了验证优化结果，对该系统进行瞬态分析，加载3秒的机组激振力，得到机组和基础垂向位移响应，如图8所示。由图可知：机组的最大垂向位移0.54mm，地基的最大垂向位移0.31mm，地基的最大位移响应远小于机组位移响应，而在稳态响应区基础的位移0.11mm也远小于机组的位移0.31mm。 　　图9为机组和地基垂向加速度响应，由图可知：机组的最大垂向加速度为0.79g，地基的最大垂向加速度为0.48g，地基的最大加速度响应远小于机组的最大加速度响应，同时在稳态响应区地基的加速度为0.27g也远小于机组的加速度0.72g。可见该隔振器能够有效的隔振振动。而且达到稳定的时间短，在1.6s左右便达到稳定状态，之后便可以良好的运转。
　　为更准确的评价隔振效果，本文引入振级落差的概念，所谓振级落差[5]就是被隔振设备振动响应的有效值于对应基础响应的有效值之比的常用对数的20倍。振动响应可以是位移、速度或加速度，相应的称为位移振级落差、速度振级落差和加速度振级落差。以位移响应为例，考虑被隔振设备与基础之间的振级落差，可定义为
　　式中：H1代表被隔振设备上的位移响应；H2代表基础上的位移响应。
　　在柴油机重心和水利测功器重心分别施加简谐激励力，频率取0到500Hz，进行谐响应计算。计算得到被隔振设备和地基的位移响应。代入公式（16），即可得到振级落差和频率的关系图10。从图中可以看出本柴油发电机组隔振装置具有良好的隔振效果，平均在20dB左右以上。在图中有几个频率处出现低谷，系统隔振效果变差，这是由于这几处正好对应系统固有频率，形成共振。
　　5.小结
　　通过本文设计一种装配在4135型柴油机的新型金属弹簧钢丝绳液体阻尼隔振器。并利用ANSYS有限元软件对隔振器进行模拟计算，得到隔振器的滞回曲线，之后基于功率流理论对隔振器参数继续优化，利用瞬态分析和谐响应分析得到系统的振动响应图形，所有结果均表明了该新型隔振器有着优秀的隔振效果。此外本文对隔振器的选配优化方法对实际工程方面也具有一定的指导意义。
　　参考文献
　　[1]朱石坚.楼京俊，何其伟.翁雪涛.振动理论与隔振技术[M].北京：国防工业出版社，2006.[2] Rivin E I. Passive Vibration Isolation [M]. New York： ASME Press， 2003.
　　[3] Ibrahim R A. Recent advances in nonlinear passive vibration isolators [J]. Journal of Sound and Vibration， 2008，314（3-5）： 371-452.
　　[4]Lian W L，Lavrich P. Prediction of power flows through machine vibration isolations.[J] Sound &Vib.，1999，224（4）：757-774.
　　[5]张阿舟，姚起杭等.振动控制工程[M].北京：航空工业出版社，1989.
　　科学研究
　　中新网5月21日电 据台湾“中广新闻网”21日报道，科学家在北极圈融冰的地表发现了10万多个正在冒泡的气孔。被冰层封锁并储藏在地下几百万年的沼气，因为冰层融化被释放出来，可能会加速地球的气候变迁。
　　沼气是仅次于二氧化碳的地球第二大温室气体。根据研究，在稳定了好几年之后，地球上的沼气又开始上升。沼气有许多不同的来源，有些是天然的，也有人为的，垃圾填埋场以及畜牧场动物粪便产生的废气，都是人为沼气。阿拉斯加大学的一个研究团队，通过特殊技术，在阿拉斯加与格陵兰湖冰层的边缘，确认了15万个沼气孔。化验显示，有些沼气年代久远，这是全球变暖的重大警讯。地球温度上升，释放出被冰封在地下几百万年的沼气，沼气增加，又有可能加速地球气候变迁，这是个不容轻忽的恶性循环。