﻿ 爆炸冲击载荷下复杂细长结构减振系统优化
 舰船科学技术  2020, Vol. 42 Issue (10): 42-46    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2020.10.009 PDF

1. 中国人民解放军92578部队，北京 100071;
2. 中国船舶集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015;
3. 河南省水下智能装备重点实验室，河南 郑州 450015

Research on optimization of vibration damping system of complicated slender structure under explosive impact load
ZHANG Tao1, HU Hui-peng2,3, LU Bing-ju2,3, QIN Li-ping2,3
1. No.92578 Unit of the PLA, Beijing 100071, China;
2. The 713 Research Institute of CSSC, Zhengzhou 450015, China;
3. Henan Key Laboratory of Underwater Intelligent Equipment, Zhengzhou 450015, China
Abstract: In this paper, the dynamic modeling and the calculation method of the dynamic response of complex slender structure under the impact load of underwater non-contact explosion are studied, and the vibration reduction system optimization is also explored. Firstly, a condensation beam model of an underwater vehicle damping system is established, then the dynamic response characteristics of the slender structure under impact load are analyzed. To achieve optimization, the parametric modeling of position of the condensation beam model vibration damping element is realized based on APDL language programming. Finally, base on the quadratic sequence optimization stiffness of the damping elements in the damping system are optimized, which greatly improves the buffering and damping performance of the damping system.
Key words: vibration isolation system     slender structure     condensation model     parametric modeling
0 引　言

1 水下航行体减振系统动力学建模

 图 1 水下航行体减振系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of underwater vehicle vibration reduction system

 图 2 水下航行体减振系统动力学计算模型 Fig. 2 Dynamics calculation model of underwater vehicle vibration reduction system
2 水下航行体冲击动响应计算 2.1 初始设计与缓冲减振要求

2.2 冲击载荷选取

BV043/85规定的冲击输入是三折线谱[5]，若采用谱分析计算方法，则可以三折线谱作为输入载荷直接施加到模型上，但更常用的是将三折线谱转换为加速度-时间载荷的正负三角波，这样转换后就可以采用瞬态完全法计算模型冲击动响应，限制更少。

 图 3 三折线冲击输入谱 Fig. 3 Three-fold line shock input spectrum

 图 4 正负三角波加速度载荷 Fig. 4 Positive and negative triangle wave acceleration load

 ${a_2} = 0.6{a_0}\text{，}$
 ${V_1} = 0.75{v_0}\text{，}$
 ${t_3} = {{2{V_1}} / {{a_2}}}\text{，}$
 ${t_2} = 0.4{t_3}\text{，}$
 ${t_5} = {t_3} + \frac{{6{d_0} \times 1.05 - 1.6{a_2}t_3^2}}{{1.6{a_2}{t_3}}}\text{，}$
 ${a_3} = {{{a_2}{t_3}} / {\left( {{t_3} - {t_5}} \right)}}\text{，}$
 ${t_4} = {t_3} + 0.6\left( {{t_5} - {t_3}} \right)\text{，}$

 $\begin{split}&{a_2} = 75\;{\rm{g}},\;{a_4} = - 43.58\;{\rm{m}}/{s^2},\;{t_2} = 0.98\;{\rm{ms}},\;\\&{t_3} = 2.4\;{\rm{ms}},\;{t_4} = 27.2\;{\rm{ms}},\;{t_5} = 43.8\;{\rm{ms}}\text{。}\end{split}$

2.3 阻尼设置

2.4 求解算法与载荷施加方法

2.5 计算结果分析

 图 5 焊接点处的加速度响应（正负三角波） Fig. 5 Acceleration response at the welding point (positive and negative triangle wave)

 图 6 冲击过程7圈减振垫的压缩量 Fig. 6 The compression amount of the shock absorber with seven circle during the impact process

 图 7 冲击过程航行器危险截面弯矩 Fig. 7 Bending moment of dangerous section of vehicle during impact process

3 减振系统优化 3.1 减振垫位置参数建模

1）构建2个数组，依照节点在细长结构缩聚梁模型中的顺序在数组中分别存储节点编号、节点横向坐标值，分别记为节点编号数组、节点位置数组。另构建一个数组，存储细长结构材料、截面特性编号。

2）根据减振垫位置移动需要，改变相应节点位置数组的元素值。

3）使用冒泡法程序对节点位置数组元素值进行从小到大排序，并相应的同步交换节点编号数组元素。

4）使用Beam188单元依次连接重新排好顺序的节点，并根据单元所处区域（根据材料、截面特性数组），赋予相应材料、截面属性。

3.2 优化算法

1）设计变量为整圈减振垫刚度K及各圈减振垫位置的横坐标d1d2d3d4d5d6d7

2）约束条件为减振垫最大压缩量18 mm；

3）优化目标为危险截面弯矩最小。

 $\nabla {g_j}{({x_k})^{\rm{T}}}d + {g_j}({x_k}) = 0,j = 1,\cdots,{m_e},$
 $\nabla {g_j}{({x_k})^{\rm{T}}}d + {g_j}({x_k}) \geqslant 0,j = 1,\cdots,{m_e},$
 ${x_l} - {x_k} \leqslant d \leqslant {x_u} - {x_k}\text{。}$
3.3 优化后的缓冲隔振效果

 图 8 优化后的减振垫布置图 Fig. 8 Layout of the optimized vibration damping pad

 图 9 优化后冲击过程7圈减振垫的压缩量 Fig. 9 The optimization results of the compression amount of the seven circle vibration damping pad during the impact process

 图 10 优化后冲击过程水下航行体危险截面弯矩 Fig. 10 Optimization results of dangerous section bending moment of underwater vehicle during impact process

4 结　语

1）本文采用缩聚梁建模的方法建立了某水下航行体减振系统动力学模型,并计算了水下航行体在冲击载荷下的动态响应；

2）基于APDL语言，通过冒泡法实现缩聚梁模型的节点自动排序，并依据位置判断赋予相应的截面属性，实现了缩聚梁模型减振垫位置参数化建模；

3）将减振垫位置、刚度作为设计变量，将减振垫最大压缩量作为约束条件，将危险截面弯矩最小化作为目标，基于二次序列规划算法，实现了水下航行体减振系统的优化。优化后减振系统可以有效抑制水下航行体在储运筒中转动，即优化后在横向冲击载荷下水下航行体更接近于平动，因而可以提高空间利用率，并降低冲击载荷下水下航行体危险截面弯矩。

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