基于ADAMS的柔性基础振动系统隔振性能分析_谢向荣

近年来 , 随着轻质薄化结构在现 代船舶工程领域 的广泛应用 , 振动隔离中基础的非刚 性问题显得日益 突出 , 船舶隔振系统的工程设计人员 越来越注重基座 的柔性对隔振系统动力学特性的影响 。 实际柔性体的 质量都是连续分布的 , 其力学特性应 由偏微分方程表 征 , 因此都是无限自由度系统 , 但在工程中完全按无限 自由度系统作动力学分析非常困难 , 通常的方法是将 无限自由度问题简化为有限自由度问题处理 。 在某些 工程应用场合 , 像梁和板这一类的简单结构 , 还可以将 其等效为单自由度系统来予以简化 , 文献 [ 1] 对此进行 [ 2 -4] 了详细讨论 。 从前 人 的分析可 以看出 , 即 使是简 单地将柔性基础考虑成梁或板 , 要对 其进行解析研究 也是很困难的 , 只能截取前几阶模态进行近似分析 , 得 到某些参数对隔振性能影响的大致趋势 。 有限元方法 为柔性体的数值计算提供了很大的空间 , 但有限元方 法主要针对结构中的静力与动力学问题 , 并不考虑结 构本身所作的大范围的运动情况 , 因 而有限元软件需 要与机械系统动力学仿真分析软件相结合 , 才能更好 地分析柔性基础等各种刚柔耦合隔振系统 。 A D A M S 软件是机械系统动 力学仿真分析 软件中 最具权威性 , 使用范围最广的软件之一 。 应用该软件 可以很方便的对机械系统进行静力学 、运动学以及动 [ 5] 力学分析 。 该软件的 核心即为 柔性多 体动力 学理 论 , 通过构建总体坐标系与局部坐标 系来描述刚体与 柔性体上每一点的运动与受力情况 , 并通过拉格朗日 乘子法推导出机械系统的动力学微分方程 。 求解动力 学方程时 , 必须满足一定的运动学约束方程 。 多体动 力学需要解决的就是由动力学微分方程与运动学约束 方程组成的微分 — — —代数方程 ( D A E , D i f f e n r e n t i a l A l g e b r a i c E q u a t i o n ) , 这也是机械系统动力学分析的难点 所在 , 而 A D A M S 软件具有强大的求解 D A E 的功能 。
图 1 柔性基础隔振系统 A D A MS 模型 F i g . 1A D A MSm o d e l o f t h ev i b r a t i o n i s o l a t i o ns y s t e mo nt h ef l e x i b l eb a s e
本文建立了柔性基础之上的单层隔振系统模型如 图 1所示 。 柔性基础简化 为四边固定的板 , 隔振器 简 化为弹簧阻尼器 , 其弹簧刚度与阻尼系数可以通过 编 写函数来确定 , 能很方便的实现隔振器的线性与非 线 性特性 。 若希望隔振器的虚拟样机模型能更真实体现 实际隔振器的特性 , 还可以将隔振器动态 、 静态刚度试 验数据导入 A D A M S 模型中 , 通过数据拟合来实现模型 中的隔振器动态特性与实际隔振器一致 。
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振 动 与 冲 击 2010 年第 29 卷
1. 2 柔性化与模态综合法 在采用有限元法对部件进行离散化时 , 为了保证 精度 , 通常需要保留大量的自由度 , 这给计算带来很大 难度 。 为了避免有限元法引入过多的自由度 , A D A M S 软件对柔性体的处理采用了有限元法与模态分析法相 结合的方法 。 A D A M S 并非将有限元离散化结 果直接 导入 , 而先由有限元软件对柔性体进行模态分析 , 生成 可供 A D A M S 使用的柔性体 模态中性文件 ( 即. m n f 文 件) , 利用 A D A M S 中的 A D A M S /F l e x 模块将此文件调 入 A D A M S 以生成模型中的柔性体 , 利用模态叠加法计 算其在动力学仿真过程中的变形及连接节点上的受力 情况 , 这样便可以在机械系统的动力 学模型中引入柔 性体 , 提高系统仿真的精度 。 有限元软件进行模态分析时 , 采用了修正的 C r a i g [ 6] B a m p t o n 模态综合方法 。 其特点是用减缩的主模 态和约束模态组成新的模态来替代原完备模态 : u q 1 ψ ψ 1 N C u = = f = u B 0 I u B q Υ NΥ C q=Υ ( 1) 其中 , ψ N为保留的低阶主模态 , ψ N为约束模态 , q 1 为对应于主模态的广义坐标 , Υ为对应于广义坐标 q 的模态矩阵 。 在进行模态减缩时 , 要 尽量保留在特定 的情况下影响大的模态 , 以便反映实际变形 , 这仅仅使 用通常的频率判断准则是不够的 , 还 要加上能量判断 准则 , 这些均能很方便在 A D M A S 软件中进行设置 。 在 A D A M S 进行动力学分析后 , 可生成有限元软件 使用的载荷文件 ( 即. l o d 文件 ) , 利用此文件可向有限 元软件输出动力学仿真后的载荷谱和位移谱信息 。 有 限元可直接调用此文件生成有限元分析中力的边界条 件 , 以进行应力 、应变以 及疲劳寿 命的评 估分析 和研 究 , 这样可得到基于精确动力学仿真 结果的应力应变 分析结果 , 提高计算精度 。 可 见 , A D A M S 软件 与有限 元软件结合 , 能很好地研究刚柔耦合 动力系统的静态 与动态特性 。 本文选用的有限元软件为 A N S Y S 。
1 A D A MS 建模与部件柔性化
1. 1 A D A MS 模型 A D A M S 建 模是 在 A D A M S /V i e w模 块中 完 成的 。 A D A M S /V i e w 是以用户为中 心的交互式图形环境 , 是 A D A M S 核心模块之一 。 该 模块提供了丰富的零件 几 何图形库 、约束库和力库 , 将便捷的图标操作 、菜单 操 作、 鼠标点取操作与交互式图形建模 、仿真计算 、 动画 显示 、优化设计 、结果分析和数据打印等功能集成在一 起 。 用户可以建立像物理样机一样建立任何机械系统 的虚拟样机 , 对其进行模拟仿真 , 并能以动画形式观察 主要的数据变化以及模型的运动 , 这些就像做实际 的 机械系统试验一样 。
振 动 与 冲 击 第 29卷第 3期 J O U R N A LO FV I B R A T I O NA N DS H O C K V o l . 29 N o . 3 2010
科ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ简报
基于 A D A MS 的柔性基础振动系统隔振性能分析
谢向荣 , 俞 翔 , 朱石坚
( 海军工程大学 船舶与动力学院 , 武汉 430033) 为了深入分析 船舶动力机械隔振系统中 的基座 柔性因 素 , 将 A D A M S软件与 有限元软 件结合 , 研 究柔性 摘 要: 基 础单层隔振系统的频域特性 , 计算不同参数条件下的 加速度振级落差 , 分析了隔振性能 。 关键词 :柔性基础 ; 隔振系统 ; 动力学分析 中图分类号 :O 322 文献标识码 :A
能 。 对于隔振系统来说 , 性能的优越与否体现在隔 振 效果的优劣 。 评价隔振效 果的指标很多 , 目前采用 得 较多的为 : 力传递率 、振级 落差 、插入损失和功率流 方 法 。 文献 [ 7] 对前三种方法进行了比较研究 。 适用于 柔性基础隔振效果评估的为振级落差与功率流传递率 方法 , 由于振级落差测量更为方便 , 且误差不大 , 因 而 大多数的船舶动力机械隔振系统实际效果评估采用的 为振级落差方法 。 本文采用加速度振级落差作为评价 隔振系统性能的指标 , 并讨论系统参数对隔振性能的影 2 响 。 本章若无特别说明 , 加速度级均以 1 m m/s 为参考 值 , 位移的功率谱均以 1 m m 为参考值来得到分贝值 。 对于如图 1 所示的柔性基础隔 振系统 , 利 用 A D A M SV i b r a t i o n 模块在被隔振设备 1 质心处设置激振器 1, 从 1 H z 至 1 000 H z 作正弦扫描 , 力幅值为 2 000 N ; 在被隔振设备 2 质心处设置激振器 2, 同样从 1 H z 至 1 000 H z 作正弦扫描 , 力幅值为 3 000 N ; 在柔性基础上 各个隔振器附近均匀设置 9 个输出通道以测量基座的 加速度 。 在被隔振设备 1 与 2 上各设置 5 个输出通道 测量被隔振设备振动加速度级 。 2. 1 柔性基础对系统固有频率的影响 A D A M S 软件 带 有振 动分 析模 块 A D A M SV i b r a t i o n , 利 用该 模 块 , 能对 A D A M S 模 型进 行 频域 分析 。 A D A M SV i b r a t i o n 对于非线性因素的处理是在系统 工 作点附近 对其 进行 线性 化 , 因此 严格 来 说 , A D A M S V i b r a t i o n 模块并不适合研究非线性系统 。 本文所作 的 频域分析均是将非线性隔振系统在其平衡点处进行线 性化后进行的 。 A D A M SV i b r a t i o n 利用拉普拉斯 ( L a p l a c e ) 变换在 仿真运行点将模型变换为线性矩阵 , 再通过特征值 计 算系统的固有圆频率和阻尼比 , 特征值虚部 、 实部与系 统无阻尼固有频率与阻尼比的关系为 : λ =λ λ ω ω 1 -ξ ( 2) r ±i i =-ξ n ±i n 图 2 所示为刚性基础隔振系统特征值的虚部 、实 部( 以 O 表示 ) 以及柔性基础取 12 阶模态后 , 系统特征 值的虚部 、实部 ( 以 ＊所示 ) 。 从图上可以看出 , 刚性基 础隔振系统固有频率与柔性基础隔振系统自然模态频 率仅只有少数几个相同 , 其余的刚体运动固有频率 均 由于基础柔性的引入而产生偏差 。 由此可见 , 柔性基
图 2 隔振系统基础柔性对固有频率的影响 F i g . 2I n f l u e n c eo f t h ef l e x i b i l i t yo f t h eb a s e o nt h en a t u r a l f r e q u e n c i e so f t h ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 ( 50675220) 收稿日期 : 2009 -05 06 修改稿收到日期 : 2009 10 -12 第一作者 谢向荣 男 , 博士生 , 1979 年 12月生 通讯作者 朱石坚 男 , 教授 , 1953 年生
本文将 A D A M S 软件与有限元软件结合 , 分析了柔 性基础单层隔振系统的频域特性 , 计算了不同参数 条 件下的加速度振级落差 , 分析了隔振性能 。
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2 柔性基础隔振系统频域分析
A D A M S 软 件带 有 振动 分析 模块 A D A M SV i b r a t i o n , 利用 该模 块 , 能 对 A D A M S 模型 进行 频域 分 析 。 A D A M SV i b r a t i o n 对于非线性因素的 处理是在系统工 作点附近对其进行线性化 , 因此严格来说 , A D A M SV i b r a t i o n 模块并不适合研究非线性系统 。 本节所作的频 域分析均是将非线性隔振系统在其平衡点处进行线性 化后进行的 。 A D A M SV i b r a t i o n 模块的使用与真实的振动测试 很相似 , 通过设置输入通道作为激振器 , 设置输出通道 作为传感器测量加速度 、 位移 、 速度等响应 。 激振器作 正弦扫描 , 其输入频谱 为平直的连续谱 。 A D A M SV i b r a t i o n 模块能确定系统各阶模态并优化系统的振动性