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橡胶隔振器非线性抗冲击理论建模与试验研究

作　者: 曾诚
导　师: 华宏星
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 非线性冲击橡胶隔振器本构方程大质量法迟滞回线
分类号: TB535.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

为了顺应现代战争基于高科技的发展思路,舰船上安装了许多高精尖的机械电子设备,比如高精度的电器电子集成装置和电子检测设备仪器等;另外一方面,当代战争中,武器的命中率和破坏威力都在不断提高,而舰船上的机电设备又比较脆弱,所以提高舰船机电设备的抗冲击能力,保护这些机电设备免受冲击破坏成为了一个十分迫切的任务。为此,需要使用如非线性橡胶隔振器此类,具有足够的弹性刚度和阻尼,并能产生大变形的隔冲元件以达到更好的隔离效果。随着各种相关实验设备的推陈出新,冲击落锤法,振动台扫频法等试验方法被广泛应用于确定隔振器的冲击响应特性和冲击刚度等;而有限元理论及大型有限元软件的发展也为研究人员提供了合理的数值模拟仿真求解冲击响应的方法。但是由于非线性隔振器具有较强的非线性刚度和非线性阻尼特性等,导致其在系统理论建模时模型的确定、数值计算方法或数值仿真模型的选择、以及非线性刚度和非线性阻尼参数的拟定方面有较大的不确定性,不同的方法会导致计算结果的明显差异,本论文在这方面做了一些相关研究。论文的主要内容包括:第一章介绍了研究背景和意义、水面舰艇设备抗冲击研究的国内外进展状况,并给出论文的研究内容。第二章对常见的水下冲击形式和特点作了大致介绍,并对冲击隔离和振动隔离的区别作了分析与比较。本章重点介绍了几种典型的具有不同刚度特性非线性隔振器,以及这些隔振器在冲击工况下的响应计算方法。最后举例介绍了橡胶隔振器、钢丝绳隔振器等一些典型的常用非线性隔振器的各自特点及适用范围。第三章首先从分子运动学的角度,对非线性橡胶隔振器超弹性和粘弹性特性的产生作了相关分析,并对其本构特性方程作了初步介绍,总结了前人研究的几种常用的本构方程的模型。接着介绍了力与位移迟滞回线理论,并举例分析了最常见的双折线迟滞模型。本章基于Pan-Yang迟滞回线理论模型,推出了八参数法描述非线性橡胶隔振器冲击响应的模型,并作了各个参数因子对方程的灵敏度分析。第四章介绍了冲击实验的两种常用方案:规定脉冲波形法和规定冲击速度法。然后选取某大型跌落式冲击试验机,对隔振器在额定载荷下做不同脉宽、不同冲击高度值的冲击实验,得出冲击响应,获取模型参数,代入八参数多项式迟滞回线模型,与实测冲击响应作比较,结果表明该模型能较好的表达隔振器非线性冲击响应特性。第五章对于第三章中提出的超弹性和粘弹性理论,推出了橡胶隔振器在高应变率下的粘超弹性本构方程建模的表达方式,通过单轴实验获取模型参数。基于ANSYS大型商业软件建立数值模型,采用大质量法施加加速度冲击激励模拟现实环境激励,结果表明,粘超弹性本构方程能够较好的描述非线性橡胶隔振器冲击响应。第六章对论文工作进行了总结,对两种方法获得的结果作了比较,并指出了需要进一步深入研究的问题。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-23
  1.1. 研究的背景  11-13
    1.1.1. 冲击的现象及危害  11
    1.1.2. 抗冲击的研究背景  11-13
  1.2. 抗冲击规范与研究意义  13-16
    1.2.1. 欧美海军舰船机电设备抗冲击研究历史与规范制定  13-14
    1.2.2. 我国舰船设备抗冲击研究现状  14-15
    1.2.3. 抗冲击研究意义  15-16
  1.3. 隔振设备抗冲击评估研究方法体系  16-19
    1.3.1. 时域方法--瞬态设计分析方法（TDAM）  16-17
    1.3.2. 频域方法--动力学设计分析方法（DDAM）  17-19
  1.4. 舰船设备冲击试验研究综述  19-21
  1.5. 论文主要研究内容  21-23
第二章常用隔振器及冲击隔离计算方法  23-35
  引言  23
  2.1. 冲击的特点与冲击隔离特性  23-25
    2.1.1. 冲击特点描述  23-24
    2.1.2. 冲击隔离概述  24-25
  2.2. 非线性隔振器特性及响应计算  25-31
    2.2.1. 冲击隔振器非线性刚度特性  26-27
    2.2.2. 非线性隔振器响应计算  27-31
  2.3. 常见隔振器功能特性介绍  31-33
  2.4. 本章小结  33-35
第三章非线性橡胶隔振器特性分析及迟滞建模  35-53
  引言  35
  3.1. 橡胶的超弹性特性  35-38
  3.2. 橡胶的粘弹性特性  38-42
    3.2.1. 聚合物的分子特性  38-39
    3.2.2. 线性粘弹性  39-41
    3.2.3. 非线性粘弹性  41-42
  3.3. 非线性迟滞系统建模  42-52
    3.3.1. 工程中的迟滞现象  42-44
    3.3.2. 迟滞恢复力模型  44-46
    3.3.3. 橡胶隔振器冲击响应迟滞模型  46-52
  3.4. 本章总结  52-53
第四章橡胶隔振器冲击实验及结果分析  53-63
  引言  53
  4.1. 跌落式实验法  53-56
    4.1.1. 冲击实验装置  53-54
    4.1.2. 规定冲击速度法  54-55
    4.1.3. 规定脉冲实验法  55-56
  4.2. 实验设计  56-62
    4.2.1. 实验载荷和波形选择  56
    4.2.2. 实验步骤设计  56-58
    4.2.3. 实验结果  58-59
    4.2.4. 实验结果比较  59-62
  4.3. 本章小结  62-63
第五章橡胶隔振器冲击响应数值建模  63-79
  引言  63
  5.1. 本构方程数值建模  63-70
    5.1.1. 超弹性模型方程  64-67
    5.1.2. 非线性粘弹性模型  67
    5.1.3. 非线性粘超弹性模型方程  67-70
  5.2. 数值建模分析  70-77
    5.2.1. 大质量法的基本理论  70-72
    5.2.2. 数值模型  72-73
    5.2.3. 数值计算  73-77
  5.3. 本章小结  77-79
第六章总结与展望  79-81
  6.1. 主要工作  79-80
  6.2. 后续研究工作  80-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  86-88

橡胶隔振器非线性抗冲击理论建模与试验研究

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