一种宽频带柔性浮筏隔振系统及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种隔振技术领域，具体涉及一种宽频带柔性浮筏隔振系统及其设计 方法。
【背景技术】
[0002] 潜艇的声隐身能力是关系其生命力和战斗力的重要因素之一，因此降低潜艇的振 动噪声水平是一件非常重要的工作。浮筏是目前广泛应用于各国潜艇的一种减振降噪设 备，它能显著地降低艇内设备的高频段振动向艇体的传递，但在低频段的减振效果以及智 能化、通用化方面却不甚理想。目前，公知的浮筏隔振系统的动力学建模方法中主要有多刚 体动力学建模方法、有限元动力学建模方法、阻抗综合建模分析方法、模态阻抗综合建模分 析方法、基于四端参数的矩阵建模分析方法等，多刚体建模方法的基本思想是将设备、筏体 及基础处理为没有弹性和阻尼的刚体，将隔振器处理为无质量的弹性阻尼元件，由于其物 理概念清晰，建模分析方便，计算规模相对较小，而且更重要的是它反映了系统的主要特 征，具有很强的工程实用价值。有限元建模方法基于考虑筏体的弹性影响，将筏体视为弹性 体进行有限元划分，设备仍作为刚体处理，与多刚体力学建模方法相比，展宽了系统频带， 提供了更丰富的高频信息。阻抗综合建模方法是基于两个子系统在连接点处的阻抗与外力 关系满足叠加原理这一基本思想来分析问题的，其基本方法是将构成系统的各组成部分单 独考虑，用机械阻抗来描述其各自的特性，再通过各部分连接点处的连接关系综合得到整 个系统的阻抗方程，从而获得系统的动力学问题的解。模态阻抗综合建模方法在以往阻抗 分析方法的基础上，采用模态坐标代替物理坐标，将各物理量用模态量表示，通过由模态坐 标表示的部件阻抗矩阵叠加得到系统矩阵，这样可以方便地根据求得的系统模态坐标解来 计算系统任意点的动力响应。基于结构四端参数来分析隔振系统的结构动力学实际上是一 种传递矩阵分析方法，对每一子结构用导纳矩阵来描述其特性，然后通过各子结构的特性 矩阵运算得到整个系统的解。
[0003] 现有浮筏隔振系统并未实现智能化通用型宽频带性设计，浮筏隔振系统包含构型 设计、动力学建模、控制系统设计三个部分，现有的建模方法使得隔振主动控制系统中易 产生控制溢出，观测溢出以及不易实现智能控制器设计复杂等问题，因此限制了主动隔振 技术在实际工程中的应用。
【发明内容】
[0004] 本申请通过提供一种宽频带柔性浮筏隔振系统及其设计方法，上下两侧由所述筏 架和所述固定底板固连它们中间的零部件，由所述四角顶杆及侧面顶杆固支所述四角弹簧 及侧面弹簧，中间为可移动支撑弹簧，其移动机理为所述可移动支撑弹簧的上端通过顶端 滑块嵌入顶端滑槽，所述可移动支撑弹簧的下端连接电机减速器组合体及底端滑块，所述 丝杠穿过所述底端滑块的圆孔并连接到步进电机。试验时对所述筏架施加振动激励响应， 通过调整弹簧组合及布置结构来获得最优化浮筏隔振系统的设计，结构简单，维数低，适用 于宽频带激振，解决了现有技术中易产生控制溢出、观测溢出以及智能化控制器设计复杂 的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：
[0006] 一种宽频带柔性浮筏隔振系统，包括筏架、固定底板、弹簧导杆、可移动支撑弹簧、 四角顶杆、侧面顶杆、四角隔振弹簧、侧面弹簧、顶端滑槽、底端滑槽、顶端滑块、底端滑块、 电机减速组合体、丝杆、步进电机，其中设置于上方的筏架和设置于下方固定底板用于固连 它们中间的零部件，在所述筏架和所述固定底板间设置有可移动支撑弹簧，所述弹簧导杆 内嵌于所述可移动支撑弹簧中，在所述筏架和所述固定底板的四边分别设置有四角顶杆、 侧面顶杆，所述四角隔振弹簧内嵌于该四角顶杆中，所述侧面弹簧内嵌于该侧面顶杆中，所 述筏架的底面设置有顶端滑槽，同时在所述固定底板的上面对应位置上设置有底端滑槽， 所述可移动支撑弹簧的上端设置有凹形顶端滑块，该顶端滑块内嵌在所述凹形的顶端滑槽 中，所述可移动支撑弹簧的下端连接所述电机减速器组合体，所述电机减速器组合体下端 设置有凸形底端滑块，该底端滑块内嵌于所述底端滑槽中，该底端滑块中间设置有供所述 丝杆螺纹连接的圆孔，所述丝杆一端与所述步进电机相连。
[0007] 所述筏架与所述固定底板用于固连它们之间的零部件，以保持整体结构的稳定 性，所述筏架与所述固定底板为钢性材料制成的矩形板。
[0008] 所述可移动支撑弹簧、四角隔振弹簧、侧面弹簧为本浮筏隔振系统的核心部件， 采用刚度大的弹簧，其中所述可移动支撑弹簧为整个浮筏隔振系统中心的弹簧，在所述筏 架与固定底板之间移动，以承载吸收激振能量从而达到减震的目的，所述四角隔振弹簧内 嵌于所述四角顶杆中，所述侧面弹簧内嵌于所述侧面顶杆中，用于承载吸收激振能量从而 达到减震的目的，所述四角顶杆和侧面顶杆为圆柱形刚性杆体，用以限制所述四角隔振弹 簧和侧面弹簧的工作位移，以保持系统整体的稳定性。
[0009] 所述顶端滑槽与所述底端滑槽均为"凹"形滑槽，所述顶端滑槽为所述可移动支撑 弹簧上端的顶端滑块提供线性滑行轨迹，所述底端滑槽容纳底端滑块及丝杆，并为所述底 端滑块提供滑行轨迹。
[0010] 所述底端滑块为可移动的刚体，带动其上端的电机减速组合体以及可移动支撑弹 簧在所述底端滑槽中线性移动，其中所述丝杆螺纹连接底端滑块的中心，使得所述底端滑 块沿丝杆滑动，所述步进电机连接所述丝杆，为丝杆的旋转提供动力，所述电机减速组合体 用以控制所述可移动支撑弹簧的移动速度。
[0011] 进一步地，该系统还包括轴承支座、联轴器和固定支架，所述轴承支座设置在所述 丝杆的末端，所述联轴器设置在所述弹簧导杆的下端，用于连接所述丝杆与所述弹簧导杆， 使之共同旋转以传递扭矩，所述固定支架将所述底端滑槽、步进电机、轴承支座固定在所述 固定底板上，保持其稳定性。
[0012] 进一步地，该系统还包括直角支架、套筒，所述直角支架和套筒用于固定并连接所 述四角顶杆及侧面顶杆。
[0013] 作为一种优选的技术方案，所述顶端滑块与所述顶端滑槽间隙配合，所述底端滑 块与所述底端滑槽间隙配合，所述弹簧导杆与所述移动支撑弹簧间隙配合，所述弹簧导杆 与所述联轴器采用螺纹连接，所述固定支架与所述底端滑槽过盈配合，所述四角顶杆与所 述四角隔振弹簧间隙配合，所述四角隔振弹簧、侧面弹簧分别与所述套筒间隙配合。
[0014] 作为一种优选的技术方案，还包括垫片，所述垫片设置在所述电机减速组合体与 所述弹簧导杆之间，以增加系统的稳定性。
[0015] -种宽频带柔性浮筏隔振系统的设计方法，包括以下步骤：
[0016] S1:根据宽频带柔性浮筏隔振系统的载荷大小、载荷位置浮动范围及弹簧选择公 式:Π 3 · k3C〇s0 · x+(4ki+n2 · k2)x = G选择四角隔振弹簧、侧面弹簧、移动支撑弹簧的刚度及 个数，式中：lu为四角隔振弹簧刚度，k2为侧面弹簧刚度，k 3为移动支撑弹簧刚度，n2为侧面 弹簧个数，n3为可移动支撑弹簧个数，且令
，L为底端滑块的行程范围，X为允许 弹簧变形量，G为宽频带柔性浮筏隔振系统筏架与载荷总重量；
[0017] S2:对宽频带柔性浮筏隔振系统的筏架结构进行离散化，将其与支撑节点结合起 来，用η个带有弹簧及阻尼器的集中质量阵相连来表示浮筏隔振装置结构系统，η为大于1的 整数；
[0018] S3:建立动力学方程[Μ][?:] + [/，肽]+ [欠 ][Π =[[][厂]，式中：[Μ]为惯性矩阵，[Μ] = diag[mi m2…mn-1 mn]，[M]为η阶方阵，m为後架离散化之后个集中质量的质量大小，每 个集中质量为浮筏筏架以及载荷总结构质量的l/n，[P]为阻尼矩阵，[UidiagtCi C2… Cm Cn]为阻尼矩阵的系数矩阵，[K]为刚度矩阵，令[Odiag% K2…Kw Kn]为刚度 矩阵系数，[Υ]为位移矩阵，[打为速度矩阵，[歹]为加速度矩阵，[Y] = [y00 yoi y02 y03 y04 yio yii yi2 yi3 yw y20 y2i y22 y23 y24 y30 y3i y32 y33 y34 y40 y4i y42 y43 5^4411^?中，yij 表示每一个带有弹簧及阻尼器的集中质量阵在振动的过程中产生的位移，i、j分别代表筏 架离散化之后各集中质量的编号，0 < i < 4,0 < j < 4, [F]为位移方向的受力矩阵，[F]= diagtFi F2…Fw Fn]，其中，表示每一个带有弹簧及阻尼器的集中质量阵在位 移方向上受到的力，[L]为输入影响矩阵；
[0019] S4:确定刚度矩阵[K]的系数以及位移矩阵[Y]，并根据公式[LhtKHYKFr1求解 输入影响矩阵[L];
[0020] S5:建立宽频带柔性浮筏筏架离散为η点的动力学模型；
[0021] S6:设计反馈控制律 l：=[M][fl + [F][ri + [[][T]-J：fl(A[dr] + [df])，式中[Λ ]为对 角常数矩阵，[KD]为对角常数矩阵，dY=Υ-0，d j = j-0:。