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《上海交通大学》 2007年
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胶泥缓冲器的耗能机理研究与设计

贾九红  
【摘要】: 随着导弹和水中兵器的发展,其爆炸当量和冲击持续时间明显增加,爆炸冲击对舰艇及舰载设备的威胁越来越严重;另一方面,电子对抗、武备控制及通讯导航等设备的精度不断提高,对工作环境的要求也更为苛刻。因此,提高舰载设备的抗冲击防护能力已成为舰载设备安全运行越来越迫切的要求。而胶泥缓冲器是一种对速度反应比较灵敏的设备,能够很好地吸收、衰减振动和冲击的能量,从而减小结构的动力反应,减弱节点的局部受力,达到保护受力设备的目的。因此,设计满足舰载设备工作环境的胶泥缓冲器提高其抗冲击防护能力,使舰载设备安全运行成为一个急需解决的问题。本论文针对该目的,采用理论研究与试验研究相结合的方法,首先研究了胶泥缓冲器的耗能机理,进而设计开发了较理想的缓冲器产品,具体研究内容和成果如下: 研究了胶泥的本构模型——分数微分Maxwell模型。通过分析分数微分Maxwell模型的复模量,证实该模型具有广适性。在分析分数微分Maxwell模型物理参数限制条件的基础上,分析了该模型的松弛模量和蠕变模量,分析结果表明该模型既能体现粘弹性材料的蠕变过程也能体现粘弹性材料的松弛过程,并且在一定应变条件下,应力较快的衰减并最后衰减至零,从而证实了分数微分Maxwell模型是一个比较好的粘弹性流体模型。并且用剪切流变试验验证了用分数微分Maxwell模型建模胶泥材料的可行性。 研究了分数微分Maxwell粘弹性流体的管道流,为胶泥缓冲器的建模提供了理论基础。求解了该流体的启动流和振荡流的速度。分析发现启动流发生了边界层效应,流体的核心部分均匀地加速,但在壁附近的区域流体受到摩擦滞止。对于振荡流,当激振频率较低时,与牛顿流体的振荡流相似;而当激振频率较高时,分数微分Maxwell流体振荡流有倒流现象发生。基于振荡流的速度解,计算了两种情况下的级数近似。计算结果表明,当流体的Reynolds数和Weissenberg数的相关系数ξ′较小时,速度呈抛物线分布,弹性影响等价于增加的粘性影响;当ξ′较大时,速度与半径无关,相位角滞后于激励压力梯度的相位角90°,中心线速度小于牛顿流体管道流中心线的速度,并且在管壁附近速度具有Richardson环形效应。这一结论将Richardson环形效应从牛顿流体的管道流动推广到粘弹性非牛顿流体的管道流动。然后深入研究了振荡流的管壁摩擦力特性,研究发现流变参数和管道半径对管壁摩擦力均有影响。并且通过数值计算得到了胶泥在缓冲器内不共振的最小管道半径。 基于以上理论研究,分析了工作在振动或冲击环境下的粘弹性缓冲器的力学模型。为了简化振动环境下用分数微分Maxwell模型建模的缓冲器的力学特性分析,提出了一种正弦算法,并将该算法计算的结果与已有的计算结果和试验结果分别比较,证明了该算法的可靠性,突出了其优越性。此外给出了分数微分Maxwell模型建模的粘弹性缓冲器耗散能量的计算方法。为了方便缓冲器的结构设计,分析了冲击载荷作用下双出杆阻尼环式胶泥流体阻尼器的工作原理,并基于Maxwell粘弹性流体模型,用分离变量法求解了胶泥流体流过活塞与缸壁之间间隙时的速度和切应力,推导出缓冲器的速度相关幂律力学模型。模拟胶泥缓冲器的工作环境,用跌落冲击试验修正了该模型,得出缓冲器的基本设计公式。最后使用该公式设计了胶泥缓冲器一次样机,样机的跌落实验证实了该公式可以作为缓冲器的基本设计公式。 为了满足作战舰艇设备抗冲击防护的需要,设计了新型胶泥缓冲器。在设计的过程中,经过强度计算设计了缓冲器的活塞杆、活塞、缸体、导向套、缸盖、填充块和限位装置的结构尺寸,并且做了相应的安全检验。根据胶泥缓冲器的基本设计公式,数值模拟由缓冲器和跌落台组成的单自由度系统,确定了缓冲器填充块的内侧母线,形成缓冲区;在缓冲器缸盖内根据活塞尺寸设计缓冲器的制动区,使新型胶泥缓冲器集抗冲器和限位器与一体,结构紧凑。用跌落试验考察新型胶泥缓冲器的动态特性,验证了填充块内侧母线计算方法的正确性,并与该新型胶泥缓冲器工作指标相近的液压油缓冲器Pro225MF的动态特性进行比较,分析其优缺点。实验结果表明新型胶泥缓冲器缓冲过程中阻抗力的峰值较小,缓冲容量较大,缓冲特性理想,工作平稳。实船爆炸试验证实了新型胶泥缓冲器具有较好的抗冲作用。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB535.1

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