精密设备用冲击隔离器及其仿真方法
【专利摘要】一种精密设备用冲击隔离器，包括外套筒、内套筒、弹簧、推板、滑销和导轨；其主要是针对现有舰船中对位置精度要求非常高设备的隔冲需求，用于满足此类设备抗冲击目的。
【专利说明】
精密设备用冲击隔离器及其仿真方法
[0001]技术领域:本发明属于冲击隔离技术领域，涉及一种抗冲击隔离器，特别涉及一种用于精密设备的抗冲击隔离器以及仿真方法。
[0002]【背景技术】:舰船在作战中不可避免的会遭受水雷、鱼雷等各类武器的攻击，由此产生的水下非接触爆炸冲击载荷虽然不会直接造成舰体结构的破坏，但是会造成舰用设备发生大面积破坏，进而导致舰船丧失战斗力和生命力。为提高舰用设备的抗冲击能力，已研制出气囊式、橡胶式、钢丝绳等多种弹性安装的抗冲击隔离器，依靠其弹性体的大位移变形能力，发动机、燃气轮机等大部分对精度要求不高的设备已得到了有效的冲击防护。但舰艇上同时存在罗经、炮瞄雷达等测量、探测设备，其对位置精度要求非常高，即使很小的扰动也会导致其一段时间内不能正常工作。对于此类设备用的抗冲击隔离器，需要保持设备能够与舰体近似刚性安装，为实现这一功能，可在隔离器内部设置一定量的预紧载荷，使其能够抵抗外界较小的扰动，而当冲击载荷大于预紧载荷时，依靠内部弹性体的变形降低传递至设备的冲击载荷。因此，有必要发明一种具有预紧载荷的冲击隔离器用于舰船中对位置精度要求非常高的设备。
【发明内容】
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[0003]发明目的:本发明提供一种精密设备用冲击隔离器及其仿真方法，其目的是解决目前所存在的问题。
[0004]技术方案:本发明是通过以下技术方案实现的。
[0005]一种精密设备用冲击隔离器，其特征在于:设备外套筒、内套筒、弹簧、推板、滑销和导轨；
[0006]导轨包括主导轨、轴肩和底座；
[0007]外套筒包括上腔体和下腔体，上腔体和下腔体之间的分隔壁上设置有供主导轨穿过的导轨孔和主导轨构成滑动副，在下腔体下部的外壁上设置有用于安装滑销的销钉孔；
[0008]内套筒包括导轨孔、滑槽和内腔体，供主导轨穿过的导轨孔位于内套筒的上部和主导轨构成滑动副；
[0009]外套筒、内套筒、弹簧和推板均套装于导轨的主导轨上，内套筒套装于外套筒的下腔体内部；内套筒的导轨孔与外套筒的导轨孔重合，主导轨穿过内套筒、内套筒导轨孔及外套筒导轨孔后上端伸进外套筒的上腔体内，在上腔体内设置有与主导轨的上端连接并联动的限位环；
[0010]弹簧设置在内套筒内并套在主导轨上，推板位于弹簧的下端，滑销一端固定于外套筒对应的销钉孔上，另一端穿过内套筒的滑槽后紧贴推板的下侧安装。
[0011]在套筒的上部设置有用于安装需要进行冲击隔离的精密设备的设备安装座。
[0012]在内套筒的下端安装有下端盖，下端盖位于滑销的下端。
[0013]滑销为能带着外套筒沿内套筒的滑槽滑动的结构。
[0014]主导轨与外套筒导轨孔及内套筒导轨孔之间动密封。
[0015]上腔体内充满了阻尼液，在限位环上设置有阻尼孔及用于安装在主导轨上端的安装孔。
[0016]用于交换阻尼液的阻尼孔均布于限位环的圆周上；安装孔位于限位环的中部，用于和导轨进行组装。
[0017]滑槽均布于内套筒下部的壁上，此外，销钉孔与滑槽的位置对应，销钉孔、滑销与滑槽的数量一致。
[0018]外套筒的上腔体的轴向长度与需要进行隔离的设备所允许的最大相对位移一致。
[0019]利用上述的精密设备用冲击隔离器所实施的隔离器模型仿真分析的方法，其特征在于:
[0020]实现步骤如下:
[0021]步骤(I):在Ansys软件中建立用于模拟隔离器的弹簧单元和用于模拟需要冲击隔离设备的质量单元，弹簧单元的一端B与质量单元相连，弹簧单元的另一端A用于施加冲击载荷；
[0022]步骤(2):将力-变形量特性曲线参数赋予弹簧单元，并赋予弹簧单元相应的阻尼参数，同时给质量单元附上质量属性；
[0023]步骤(3):在Ansys软件中的求解模块设置分析类型为瞬态，内部求解积分算法为Newmark时间积分法；
[0024]步骤(4):在弹簧A端施加冲击载荷进行仿真计算，冲击载荷是正弦单波或正弦正负双波、三角波单波或正负组合三角波或周期循环的振动信号；
[0025]步骤(5):计算完成后，在Ansys的时间后处理模块进行仿真结果的查看;是质量单元的加速度响应、相对位移响应或速度响应;其中:加载点A的位移D，质量单元B点的位移d，二者之差Ad= |D-d|，Ad即为隔离器的实际变形量，同时也为模拟设备在冲击过程中相对基座的位置变动范围。
[0026]优点及效果:本发明提供一种精密设备用冲击隔离器及其仿真方法，其主要是针对现有舰船中对位置精度要求非常高设备的隔冲需求，用于满足此类设备抗冲击目的。
[0027]本发明的有益效果是:
[0028](I)从功能来说，该隔离器除了抗冲击、隔振外，在遭受小幅值的冲击振动载荷时(这里的小幅值是指载荷小于弹簧的预紧力)，弹簧不变形，受隔离保护的精密仪器与舰艇没有相对运动，特别能够保障导航仪的精度。
[0029](2)提出了对其进行仿真的简化方法，便于进行模拟分析，可大大节约试验成本。
【附图说明】
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[0030]图1为隔离器结构的整体示意图；
[0031 ]图2为隔离器结构的剖视结构示意图；
[0032]图3为限位环结构示意图；
[0033]图4为外套筒的结构示意图；
[0034]图5为外套筒的剖视结构图；
[0035]图6为内套筒的结构示意图；
[0036]图7为内套筒的剖视结构示意图；
[0037]图8为导轨的结构示意图；
[0038]图9为下端盖的结构示意图
[0039]图10为滑销的安装示意图；
[0040]图11为隔离器的简化图；
[0041]图12为隔离器的实际工作力-变形量特性曲线；
[0042]图13为隔离器的理论仿真力-变形量特性曲线；
[0043]图14为隔离器的实际仿真力-变形量特性曲线；
[0044]其中:设备1、设备安装座2、限位环3、外套筒4、内套筒5、弹簧6、推板7、滑销8、下端盖9、导轨10、安装基础11。
[0045]【具体实施方式】:下面结合附图对本发明做进一步的说明:
[0046]如图1所示，一种精密设备用冲击隔离器，该隔离器包括:设备外套筒4、内套筒5、弹簧6、推板7、滑销8和导轨10;
[0047]导轨10包括主导轨10-1、轴肩10-2和底座10-3;
[0048]外套筒4包括上腔体4-1和下腔体4-2，上腔体4-1和下腔体4-2之间的分隔壁上设置有供主导轨10-1穿过的导轨孔4-4和主导轨10-1构成滑动副，在下腔体4-2下部的外壁上设置有用于安装滑销8的销钉孔4-3;
[0049]内套筒5包括导轨孔5-1、滑槽5-2和内腔体5-3，供主导轨10-1穿过的导轨孔5-1位于内套筒5的上部和主导轨10-1构成滑动副；
[0050]外套筒4、内套筒5、弹簧6和推板7均套装于导轨10的主导轨10-1上，内套筒5套装于外套筒4的下腔体4-2内部；内套筒5的导轨孔5-1与外套筒4的导轨孔4-4重合，主导轨ΙΟ-? 穿过内套筒 5、 内套筒导轨孔 5-1 及外套筒导轨孔 4-4 后上端伸进外套筒 4 的上腔体 4-1 内，在上腔体4-1内设置有与主导轨10-1的上端连接并联动的限位环3;外套筒4的导轨孔4-4使外套筒沿着导轨10平移；
[0051]弹簧6设置在内套筒5内并套在主导轨10-1上，推板7位于弹簧6的下端，滑销8—端固定于外套筒4对应的销钉孔4-3上，另一端穿过内套筒5的滑槽5-2后紧贴推板7的下侧安装。
[0052]在外套筒4的上部设置有用于安装需要进行冲击隔离的精密设备I的设备安装座2。
[0053]在内套筒5的下端安装有下端盖9，下端盖9位于滑销8的下端。
[0054]滑销8为能带着外套筒4沿内套筒5的滑槽5-2滑动的结构。
[0055]主导轨10-1与外套筒4上的导轨孔4-4及内套筒5上的导轨孔5-1之间动密封。
[0056]上腔体4-1内充满了阻尼液，在限位环3上设置有阻尼孔3-1及用于安装在主导轨10-1上端的安装孔3-2。
[0057]用于交换阻尼液的阻尼孔3-1均布于限位环3的圆周上;安装孔3-2位于限位环3的中部，用于和导轨10进行组装。
[0058]滑槽5-2均布于内套筒5下部的壁上，此外，销钉孔4-3与滑槽5-2的位置对应，销钉孔4-3、滑销8与滑槽5-2的数量一致。
[0059]外套筒4的上腔体4-1的轴向长度与需要进行隔离的设备I所允许的最大相对位移一 Sc ο
[0060]利用权利要求1所述的精密设备用冲击隔离器所实施的隔离器模型仿真分析的方法，其特征在于:
[0061 ] 实现步骤如下:
[0062]步骤(I):在Ansys软件中建立用于模拟隔离器的弹簧单元和用于模拟需要冲击隔离设备的质量单元，弹簧单元的一端B与质量单元相连，弹簧单元的另一端A用于施加冲击载荷；
[0063]步骤(2):将如图9所示，力-变形量特性曲线参数赋予弹簧单元，并赋予弹簧单元相应的阻尼参数，同时给质量单元附上质量属性；
[0064]步骤(3):在Ansys软件中的求解模块设置分析类型为瞬态，内部求解积分算法为Newmark时间积分法；
[0065]步骤(4):在弹簧A端施加冲击载荷进行仿真计算，冲击载荷是正弦单波或正弦正负双波、三角波单波或正负组合三角波或周期循环的振动信号；
[0066]步骤(5):计算完成后，在Ansys的时间后处理模块进行仿真结果的查看;是质量单元的加速度响应、相对位移响应或速度响应;其中:加载点A的位移D，质量单元B点的位移d，二者之差Ad= |D-d|，Ad即为隔离器的实际变形量，同时也为模拟设备在冲击过程中相对基座的位置变动范围。
[0067]隔离器的弹簧6只能压缩，其工作响应呈现两个特征阶段，一个特征阶段为当设备I所受的惯性力大于隔离器的预紧力时，弹簧6开始压缩;另一个特征阶段为当设备I所受的惯性力小于或等于隔离器的预紧力时，弹簧6保持原有状态。
[0068]隔离器的弹簧6实际的力-变形量特性曲线a:—条斜率为弹簧刚度K，起点为A(0，Fo)，终点为B(X1，FO的曲线I。
[0069]隔离器简化模型中弹簧6可以拉伸或压缩，其工作过程呈现三个阶段:第一阶段，设备I相对船体安装基础正向运动时，弹簧单元拉伸;第二阶段，设备I相对船体安装基础无运动时，弹簧单元无压缩量;第三阶段，设备I相对船体安装基础负向运动时，弹簧单元压缩。
[0070]将隔离器的弹簧实际的力-变形量特性曲线a转变为隔离器简化模型中弹簧所赋予的力-变形量特性曲线b，其特性曲线b包括:一条处于斜率为K，起点为C(0，Fo)，终点为D&1，？1)的曲线2;—条斜率为1(，起点为厶(^而)，终点为8(0，4())的曲线3。
[0071]对隔离器简化模型中弹簧所赋予的力-变形量特性曲线b进行优化处理为曲线C，所述的曲线c包括:一条处于坐标轴第一象限的一条斜率为K，起点为C(X3，Fo)，终点为D(X1，F1)的曲线3;—条斜率为Kac与X轴交于X3点，起点为B(0，-Fo)，终点为C(X3，Fo)的曲线4; 一条斜率为K，起点为A(x2，F2)，终点为B(0，-Fo)的曲线6。
[0072]导轨10的下端用于将隔离器固定于舰船或其它设备上的安装基础11上。
[0073]内套筒5内部为内腔体5-3，主要用于安装弹簧6;
[0074]导轨10的底部为底座10-3，底座10-3上设置有安装孔10-4，导轨10上设置有轴肩10-2，其位于如图2所示的导轨10的主导轨10-1以下的位置;下端盖9位于轴肩10-2以下。
[0075]底座10-3位于导轨10的最下部，其作用是通过安装孔10-4将隔离器安装到相关的安装基础上。此外，导轨10为整体式结构，主导轨10-1、轴肩10-2、底座10-3和安装孔10-4由同一个毛坯件加工而成。
[0076]如图2所示，上腔体4-1和下腔体4-2分别位于导轨孔4-4的上下两侧;上腔体4-1内的充满阻尼液，主要为隔离器提供阻尼和有效缓冲空间；在冲击过程中限位环3会在腔体4-1内往复的运动，腔内的阻尼液会通过限位环3上的阻尼孔3-1进行循环，进而起到一定的阻尼作用。下腔体4-2主要用于安装内套筒5;销钉孔4-3均布于下腔体4-2部的外壁上，主要用于安装滑销8。
[0077]下端盖9包括结合面9-1和切边9-2。其中:导轨孔9-1用于安装导轨10;切边9-2共计4个均布于下端盖9的四周，用于方便下端盖9的拆卸。
[0078]此外，通过调节外套筒4上销钉孔4-3沿轴向上的开孔位置可以实现弹簧6在内套筒5中不同的预压缩量，以适应不同冲击环境的隔冲要求。
[0079]隔离器工作原理如下:
[0080]船体结构受到小幅值的冲击时，由于隔离器中的弹簧6具有一定预压缩量，冲击载荷小于弹簧的预紧力，弹簧不变形，受隔离保护的设备I与船体安装基础11没有相对运动，尤其能够保障导航仪这种精密设备的探测精度。
[0081]船体结构受到大幅值的冲击时，冲击载荷大于弹簧的预紧力，弹簧会产生压缩变形。根据运动过程中弹簧的压缩机理不同，隔离器工作原理呈现出以下四个特征阶段:
[0082]第一特征阶段:船体安装基础11在正向的冲击载荷作用下，船体安装基础11推动导轨10向上运动，轴肩10-2与下端盖9脱离接触，导轨10的轴肩10-2顶着推板77压缩弹簧6，导轨10相对内套筒5、外套筒4、下端盖9和滑销8向上运动，弹簧6处于一次压缩阶段。
[0083]第二特征阶段:当正向的冲击载荷作用停止时，受压缩的弹簧6在自身恢复力作用下，压缩的弹簧6向上依次顶着内套筒5、外套筒4、下端盖9、设备安装座2和设备I向上运动，此时的内套筒5和外套筒4 一起运动，弹簧6处于一次恢复原长阶段；
[0084]第三特征阶段:当弹簧6恢复原长后，由于设备I的惯性作用，设备I相对船体安装基座11和导轨10向上运动，与其相连的设备安装座2和外套筒4也相对导轨向上运动，外套筒4带着滑销8沿着滑槽5-2向上运动，顶着推板7压缩弹簧6，此时导轨10的轴肩10-2向下顶着下端盖9和内套筒5。进而使得内套筒5和外套筒4相对滑动，此时，弹簧6处于二次压缩阶段。
[0085]第四特征阶段:弹簧6在自身恢复力作用下，弹簧6的下端顶着推板7向下运动，推板7顶着滑销8，滑销8带着外套筒4、设备安装座2和设备I向下运动，弹簧处于二次恢复原长阶段。整个冲击过程中，弹簧始终处于压缩状态，通过弹簧的变形吸收和释放能量。在冲击过程中限位环3会在腔体4-1内往复的运动，腔体4-1内的阻尼液会通过限位环3上的阻尼孔3-1进行循环，进而使得阻尼液对设备产生阻尼效果。
[0086]此外，外套筒4的上腔体4-1的轴向长度与需要进行隔离的设备I所允许的最大相对位移一致，当限位环3运动到上腔体4-1的最上部和最下部时，弹簧6将不会继续变形，此时被隔离设备I与安装基础11之间相对距离将不会继续发生，进而保证了设备I的精度。
[0087]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0088]如图1和图2所示，本发明的一种冲击隔离器，用于舰载精密设备，外部示意图如图A所示，内部结构如图B所示。
[0089]如图3所示，限位环3上设置有阻尼孔3-1及用于安装在主导轨10-1上端的安装孔3-2。
[0090]如图4和图5所示，销钉孔4-3均布于下腔体4-2下部的外壁上，主要用于安装滑销8。
[0091]如图6和图7所示，滑槽5-2均布于于内腔体5-3下部外壁上，滑销8可沿着滑槽5-2移动。此外，销钉孔4-3、滑销8与滑槽5-2的数量一致。
[0092]如图8所示，主导轨10-1位于导轨10的上部，主导轨10-1的上端用于安装限位环3，轴肩10-2位于导轨10的中间位置;底座10-3位于导轨10的最下部，其作用是通过安装孔10-4将隔离器安装到相关的安装基础上。
[0093]如图9所示，下端盖9包括:结合面9-1和切边9-2。其中:结合面9-1用于和推板7配合实现对弹簧6的压缩;切边9-2共计4个均布于下端盖9的四周，用于下端盖9的拆卸。
[0094]如图10所示，为滑销8的安装示意图，此外，通过调节外套筒4上销钉孔4-3沿轴向上的开孔位置可以实现弹簧6在内套筒5中不同的预压缩量，以适应不同冲击环境的隔冲要求。这样具有预紧力的隔离器，在冲击载荷较小的时候，隔离器并不会发生相对运动；只有当冲击载荷达到一定值时，隔离器才会发生相对运动，通过压缩弹簧6来进行冲击能量的吸收与释放进而实现对冲击的隔离;隔离器在实现隔冲的过程中均是通过压缩弹簧6实现的，在冲击隔离过程中弹簧6—直处于压缩状态。
[0095]如图11所示，为隔离器简化图，隔离器简化为弹簧-阻尼系统。
[0096]如图12所示，其中坐标F表示弹簧的恢复力;横坐标X表示弹簧的相对位移Δχ，ΔΧ等于弹簧总变形量减去预紧变形量。如图12所示，其曲线a为隔离器精密设备用冲击隔离器实际工作过程中的力-变形量特性曲线a，所述的曲线a包括:一条斜率为弹簧刚度K，起点为△ (?{(^，终点为以^^^的曲线丄。
[0097]图13所示，其曲线b为隔离器实际工作过程中的力-变形量特性曲线a转变后的隔离器简化弹簧工作过程中的力-变形量特性曲线b，所述的曲线b包括:一条处于斜率为K，起点为C(0，Fo)，终点为D(X1，FO的曲线2;—条斜率为K，起点为A(X2，F2)，终点为B B(0，-Fo)的曲线3。
[0098]如图14所示，其曲线c为曲线b优化后赋值与弹簧单元的力-变形量特性曲线C，所述的曲线c包括:一条处于坐标轴第一象限的一条斜率为K，起点为C(X3，Fo)，终点为D(X1，F1)的曲线3;—条斜率为Kac与X轴交于X3点，起点为B(0，-Fo)，终点为C(X3，Fo)的曲线4; 一条斜率为K，起点为A(x2，F2)，终点为B(0，-Fo)的曲线6。
【主权项】
1.一种精密设备用冲击隔离器，其特征在于:包括外套筒(4)、内套筒(5)、弹簧(6)、推板(7)、滑销(8)和导轨(10); 导轨(10)包括主导轨(10-1)、轴肩(10-2)和底座(10-3); 外套筒(4)包括上腔体(4-1)和下腔体(4-2)，上腔体(4-1)和下腔体(4-2)之间的分隔壁上设置有供主导轨(10-1)穿过的导轨孔(4-4)和主导轨(10-1)构成滑动副，在下腔体(4-2)下部的外壁上设置有用于安装滑销(8)的销钉孔(4-3); 内套筒(5)包括导轨孔(5-1)、滑槽(5-2)和内腔体(5-3)，供主导轨(10-1)穿过的导轨孔(5-1)位于内套筒(5)的上部和主导轨(10-1)构成滑动副； 外套筒(4)、内套筒(5)、弹簧(6)和推板(7)均套装于导轨(10)的主导轨(10-1)上，内套筒(5)套装于外套筒(4)的下腔体(4-2)内部；内套筒(5)的导轨孔(5-1)与外套筒(4)的导轨孔(4-4)重合，主导轨(10-1)穿过内套筒(5)、内套筒导轨孔(5-1)及外套筒导轨孔(4-4)后上端伸进外套筒(4)的上腔体(4-1)内，在上腔体(4-1)内设置有与主导轨(10-1)的上端连接并联动的限位环(3); 弹簧(6)设置在内套筒(5)内并套在主导轨(10-1)上，推板(7)位于弹簧(6)的下端，滑销(8)—端固定于外套筒(4)对应的销钉孔(4-3)上，另一端穿过内套筒(5)的滑槽(5-2)后紧贴推板(7)的下侧安装。2.根据权利要求1所述的精密设备用冲击隔离器，其特征在于:在套筒(4)的上部设置有用于安装需要进行冲击隔离的精密设备(I)的设备安装座(2)。3.根据权利要求1所述的精密设备用冲击隔离器，其特征在于:在内套筒(5)的下端安装有下端盖(9)，下端盖(9)位于滑销(8)的下端。4.根据权利要求1所述的精密设备用冲击隔离器，其特征在于:滑销(8)为能带着外套筒(4)沿内套筒(5)的滑槽(5-2)滑动的结构。5.根据权利要求1所述的精密设备用冲击隔离器，其特征在于:主导轨(10-1)与外套筒导轨孔(4-4)及内套筒导轨孔(5-1)之间动密封。6.根据权利要求5所述的精密设备用冲击隔离器，其特征在于:上腔体(4-1)内充满了阻尼液，在限位环(3)上设置有阻尼孔(3-1)及用于安装在主导轨(10-1)上端的安装孔(3-2)07.根据权利要求6所述的精密设备用冲击隔离器，其特征在于:用于交换阻尼液的阻尼孔(3-1)均布于限位环(3)的圆周上；安装孔(3-2)位于限位环(3)的中部，用于和导轨(10)进行组装。8.根据权利要求1所述的精密设备用冲击隔离器，其特征在于:滑槽(5-2)均布于内套筒(5)下部的壁上，此外，销钉孔(4-3)与滑槽(5-2)的位置对应，销钉孔(4-3)、滑销(8)与滑槽(5-2)的数量一致。9.根据权利要求1所述的精密设备用冲击隔离器，其特征在于:外套筒(4)的上腔体(4-1)的轴向长度与需要进行隔离的设备(I)所允许的最大相对位移一致。10.利用权利要求1所述的精密设备用冲击隔离器所实施的隔离器模型仿真分析的方法，其特征在于: 实现步骤如下: 步骤(I):在Ansys软件中建立用于模拟隔离器的弹簧单元和用于模拟需要冲击隔离设备的质量单元，弹簧单元的一端B与质量单元相连，弹簧单元的另一端A用于施加冲击载荷；步骤(2):将力-变形量特性曲线参数赋予弹簧单元，并赋予弹簧单元相应的阻尼参数，同时给质量单元附上质量属性； 步骤(3):在Ansys软件中的求解模块设置分析类型为瞬态，内部求解积分算法为Newmark时间积分法； 步骤(4):在弹簧A端施加冲击载荷进行仿真计算，冲击载荷是正弦单波或正弦正负双波、三角波单波或正负组合三角波或周期循环的振动信号； 步骤(5):计算完成后，在Ansys的时间后处理模块进行仿真结果的查看;是质量单元的加速度响应、相对位移响应或速度响应;其中:加载点A的位移D，质量单元B点的位移d，二者之差Ad= I D-d I，Ad即为隔离器的实际变形量，同时也为模拟设备在冲击过程中相对基座的位置变动范围。
【文档编号】F16F9/32GK105840722SQ201610164300
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月19日
【发明人】闫明, 于博洋, 孟宪松, 佟玲
【申请人】沈阳工业大学