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磁力预紧缓冲器的力学特性及缓冲性能研究.docx

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磁力预紧缓冲器的力学特性及缓冲性能研究.docx

上传人:科技星球 2024/4/23 文件大小:34 KB

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文档介绍:该【磁力预紧缓冲器的力学特性及缓冲性能研究 】是由【科技星球】上传分享,文档一共【21】页,该文档可以免费在线阅读,需要了解更多关于【磁力预紧缓冲器的力学特性及缓冲性能研究 】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。磁力预紧缓冲器的力学特性及缓冲性能研究??曾泽璀,张磊,闫明,张春辉(,沈阳110870;,北京100161)振动激励通常会对工程振动系统产生不利影响。一般的振动激励源主要包括动力源设备产生的周期振动、不平整路面所造成的汽车整体结构的随机振动等。除此之外,还有一些瞬时振动,例如碰撞、爆炸、冲击等,它是由短时间的瞬间激励载荷作用产生,通常伴随着较大的作用力和位移[1]。振动和冲击能够导致一系列问题,例如敏感设备的损坏、设备定位精度下降、操作人员的不适感等[2]。因此工程振动领域中一些较为敏感的设备,如高精度加工机器、精确导航设备、汽车座椅、航天电子设备等等,都需要安装隔振器或者缓冲器[3]。传统被动缓冲器主要由弹性元件和阻尼元件组成,不包含其它组成元件。由于冲击具有载荷幅值高和瞬间产生的特点,仅具有线性特征的缓冲器已经不能够满足缓冲要求。因此后来不断出现具有非线性特征的被动缓冲器,例如,钢丝绳缓冲器、预紧缓冲器、准零刚度缓冲器等[4-7]。这些缓冲器的刚度特性都具有软化特征,从而使得系统具有高静态低动态特征,大量的研究表明具有软化特征的缓冲器比较适合于冲击隔离。惯导设备是保证舰船航行关键设备,在常规航行条件下,惯导设备需与安装基础之间保持刚性连接。但是舰船在海上行驶过程中容易受到鱼雷攻击,由鱼雷所产生的非接触爆炸将对舰船产生冲击,冲击经由船体结构传递至惯导设备,从而导致惯导设备遭受冲击作用。传统的缓冲器难以实现惯导设备的缓冲要求,而预紧缓冲器不仅能够保证惯导设备在小激励作用下保持刚性连接,而且能在强烈的水下非接触爆炸环境下起到缓冲作用。传统的预紧缓冲器,通常是利用特殊结构将弹性元件进行预压缩,从而产生初始预紧力,当冲击载荷大于预紧力时,缓冲器才开始变形缓冲[8]。但是这类型缓冲器的缓冲效果受到系统弹性元件特性的影响,当缓冲器的弹性元件刚度较小时,需要通过较大的初始变形获得预紧力,这将会导致缓冲器结构尺寸较大;当缓冲器的刚度较大时,虽然通过较小的初始变形就能获得一定预紧力,但是在冲击作用下容易产生更大的加速度响应。因此在传统预紧缓冲器的设计过程中,弹性元件刚度、初始预紧力与系统加速度响应之间存在一定的妥协关系。针对上述问题,本文提出一种磁力预紧缓冲器,该缓冲器通过磁铁组件产生预紧力,并在变形阶段设置较低刚度的弹性元件,从而改善了传统弹性元件、初始预紧力以及系统加速度响应之间的妥协关系,提高缓冲性能。接下来,首先对磁力预紧缓冲器的工作原理进行说明,建立缓冲器力学模型,利用谐波平衡法求解磁力预紧缓冲器模型,获得该系统的方程解;然后,通过数值计算获得磁力预紧缓冲器的冲击响应规律,分析预紧力和系统刚度对缓冲器冲击响应的影响;接着,将磁力预紧缓冲器与传统预紧缓冲器的冲击响应进行对比分析;最后,利用跌落试验机对磁力预紧缓冲器原理样机进行冲击试验,对仿真结果进行验证。:在初始平衡位置具有一定预紧力,且该预紧力小于设备所承受的加速度上限。满足上述要求的缓冲器不仅能够降低设备所受到的冲击损伤,还能够保证设备在小幅值干扰激励下保持稳定。磁力预紧缓冲器的简化原理如图1所示,缓冲器主要包括:,,,,。四组磁铁的编号分别为①、②、③和④,当缓冲器处于初始平衡位置时,每组磁铁中的两个磁铁处于异极相吸的状态,且每组中上磁铁均为N极,下磁铁均为S极;N极磁铁均安装在悬浮支架上,S极磁铁分别安装在弹簧和基础上。缓冲器初始平衡状态如图1(a)所示,向下运动和向上运动的最大变形位置分别如图1(b)和图1(c)所示。图1磁力预紧缓冲器简化模型缓冲器在外界冲击作用下质量块m具有向下运动的趋势,当冲击力大于①和②磁铁组的吸力和时,①和②NS极磁铁分开,弹簧k开始压缩变形,直至恢复平衡位置时,①和②磁铁组恢复吸合;当质量块从平衡位置开始向上运动时,此时向上冲击力大于③和④组磁铁的吸力,因此③和④的NS极开始分开,弹簧被拉伸,直至恢复平衡位置时,③和④组磁铁分别重新吸合。每组两个磁铁之间存在相互吸引力Fm,Fm是关于磁铁间距x的指数衰减函数。当两个磁铁之间的距离x达到最小时,Fm则达到一个最大值Fma,其就是磁力预紧缓冲器的初始预紧力。不论质量块向上运动还是向下运动,当外界载荷力大于Fma时,对应的磁铁组就会发生分离。随着间距x增大,弹簧k开始发生变形并产生缓冲效果。当冲击结束后,由弹簧的恢复力Fk将质量块向上推动或向下拉,当间距x减小至一定值时,Fm指数增加,待质量块恢复至平衡位置时,弹性力Fk不再对质量块产生作用,在Fma的作用下,设备保持初始平衡位置状态。磁力预紧缓冲器的特点在于,当冲击力在所设置的预紧力范围之内时,其能够保持刚性连接;当冲击力超过该预紧力范围时,为弹性元件支撑的弹性连接。与传统预紧缓冲器所不同的是,传统预紧缓冲器的弹性元件是产生预紧力的关键,两者关系密切;而磁力预紧缓冲器的预紧力大小与弹性元件刚度无关,磁力预紧缓冲器可以在设定所需预紧力之后,根据需求设计弹性元件的刚度特性。磁力预紧缓冲器能通过选择圆柱螺旋弹簧和强力磁铁(NdFeB铷铁硼磁铁)进行组合设计。根据图1所示的工作原理,假设基础冲击激励为z(t),设备响应为y(t),并且令x=y-z,那么受到基础冲击作用的磁力预紧缓冲器的运动微分方程如下(1)式中:M为设备质量;c为系统阻尼系数;k为系统弹性元件刚度;Fm为磁铁间的相互作用力。接下来对磁力预紧缓冲器的磁铁元件特性、弹性元件特性进行研究,本文主要研究预紧力以及系统刚度对磁力预紧缓冲器冲击响应的影响,暂不考虑阻尼作用。,磁铁之间的相互作用力是产生预紧力的关键,而且其刚度变化特性与传统弹性元件存在区别。由于永磁铁几何形状繁多,这里仅针对圆柱永磁铁力学特性进行说明。为了简化理论推导过程,这里做出四个假设条件:假设所用的圆柱永磁铁都是使用相同的材质制作,具有相同的磁化强度矢量,具有相同的几何尺寸并且关于圆柱体轴线对称[9-10]。由于单对磁铁所产生的力较小,因此所设计的磁力预紧缓冲器中具有多组磁铁同时进行作用,如图2(a)所示。将单对圆柱永磁铁单独拿出分析,其几何参数标识如图2(b)所示。图2柱状磁铁空间分布单对永磁铁的静磁能量的定义如下(2)式中:μ0为真空磁导率其值为4π×10-7H·m-1;H(r)为磁场强度;M(r)为磁化强度矢量。永磁铁之间的相互作用力可以通过对静磁相互作用能量进行求导获得。这里将坐标系统的z轴正向设置为圆柱永磁铁的中心轴正向,那么沿着z轴方向的吸引力就能够表达为(3)式中,Jd为偶极耦合积分,其表达式为(4)式中:τi=ti/(2R),其中i=1,2为两个圆柱的几何比例系数;ζ=Z/R为两个柱状磁铁之间的有效距离;J1(q)为第一类修正贝塞尔函数。在本文中所设计的磁力预紧缓冲器中,由于永磁铁的几何尺寸相同。因此τ1=τ2=τ,所以由式(4)和式(5)可得圆柱磁铁之间的吸引力公式为(5)式(5)中,Kd=μ0M2/2为静磁能量常数。Vokoun已经对公式的准确性进行了验证,分别对单对磁铁和2×2排列磁铁之间的磁力-间隙关系进行了试验,其中2×2排列磁铁之间的磁力-间隙试验曲线见图3[11-12]。在本文所设计的磁力预紧缓冲器中,所选定永磁铁的几何尺寸为,R=,t=。其排布方式同样为2×2排列,因此对吸引力-位移特性与图3所示曲线相同。图32×2排列圆柱永磁铁的力-位移特性为了进一步计算磁力预紧缓冲器的动态响应解,需要综合考虑磁力预紧缓冲器中所有弹性元件的力-位移特性。而磁力预紧缓冲器中的弹性元件主要包括圆柱永磁铁和线性弹簧。其中线性弹簧的力-位移特性可由下式表示Fk=kx(6)式中,k为线性弹簧的刚度,单位为N/mm。虽然,圆柱永磁铁之间相互作用力可以利用式(5)表示,但为了简化动态响应的计算过程,对式(5)进行简化。而通过观察图3,发现图中曲线具有衰减特性,因此这里采用指数衰减函数进行拟合,假设其拟合函数表达式如下(7)在拟合过程中,利用莱文贝格-马夸特方法提供非线性最小化数值解。当n=1时,,体现出较好的拟合度。因此图3曲线的拟合函数可以表示为y=Ae-x/μ1(8)式中,A和μ1为拟合系数,具体数值如表1所示。表1拟合参数综上所述,结合圆柱磁铁力学特性和线性弹簧力学特性,磁力预紧缓冲器弹性元件的综合力-位移特性可以表达为Fz=Fk+Fm=kx+Ae-x/μ1(9)(harmonicbalancemethod,HBM)对非线性系统方程求解。已知系统的综合刚度特性,刚度特性中含有非线性函数项A1e-x/μ1,因此利用泰勒级数展开式来作为该函数项的近似表达。泰勒级数展开式如下所示(10)取n=3,则非线性函数项Ae-x/μ1的泰勒级数三阶表达式为(11)因此,系统综合刚度特性曲线可以通过下式表示(12)将式(12)代入方程式(1)中,当不考虑阻尼作用时,可以获得以下运动微分方程(13)令,因为只考虑系统的固有特性,因此令方程中的激励项为零,则式(13)可表达为(14)设方程式(14)的解为x=A0+A1coswt+A2cos2wt(15)将式(15)代入方程式(14)中,并令方程的常数项cosφ和cos2φ的系数相等。(16)(17)(18)(19)(20)于是可得方程式(14)的解为(21)其中,(22),接下来利用四阶龙格库塔对磁力预紧缓冲器的运动微分方程进行求解。而且为了较为全面地分析磁力预紧缓冲器的缓冲性能,分别研究了不同磁性预紧力、不同线性刚度对冲击响应的影响。由于本文研究对象为舰船惯导设备,其所受到的冲击载荷主要为水下非接触爆炸对舰船所产生的正负双波载荷[13]。因此利用正负双波载荷对磁力预紧缓冲器的冲击响应性能进行研究。为了能够起到较好的缓冲作用,将缓冲器的缓冲频率控制在20Hz以内。这里所采用的冲击载荷的正波和负波加速度幅值分别为50g和10g,脉宽分别为5ms和25ms。磁性预紧力是磁力预紧缓冲器的关键特性,在此列举四组不同的预紧力值,并计算不同预紧力对磁性预紧缓冲器的冲击响应影响。为了进行合理的对比,这里将线性弹簧的刚度均设置为k1=40Mg/L,其中M为设备质量(kg),g为重力加速度(m/s2),L为单位长度(m),其刚度取值,如表2所示。表2线性刚度参数不同预紧力的磁力预紧缓冲器力-位移特性如图4所示,图4中系统所对应的相对位移响应、相对速度响应和加速度响应分别如图5~图7所示。图5为磁力预紧缓冲器的位移响应规律,从图中可以看出,不同预紧力对磁力预紧缓冲器的位移响应几乎没有影响。图6为磁力预紧缓冲器的加速度响应规律,预紧力对加速度响应的局部响应峰值产生影响,预紧力越大,局部响应峰值越高,但是对总体响应影响并不大,这是因为局部响应峰值主要受到初始平衡位置磁力刚度影响,而总体响应峰值主要受线性刚度影响;另外,磁力预紧缓冲器的速度响应和加速度响应具有相同的规律,如图7所示。图4磁力预紧缓冲器力学特性(k1)