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原文传递带限位器的舰船设备隔离系统冲击响应研究

论文题名：	带限位器的舰船设备隔离系统冲击响应研究
关键词：	舰船设备;隔离系统;冲击响应;冲击隔离技术;限位器
摘要：	舰船机械设备冲击隔离技术分析研究是一个较为复杂的综合性问题，特别是安装限位器之后，使得隔离系统不能作为线性系统来处理，因而在冲击响应计算时就不能直接采用模态叠加法和基于机械振动模态理论和响应谱的动态设计分析方法(DDAM)，需要探索新的计算方法，这是本论文的基本出发点。基础和筏体的弹性对冲击隔离系统的隔离效果的影响分析，也是本文的主要研究内容。限位器参数对隔离系统冲击响应的影响分析和限位器参数优化计算则是本文的另一主要研究内容。根据国家自然科学基金项目“单向约束动力系统数学建模和算法研究”和海军装备部“十五”预研课题“潜艇抗冲击技术”的需要，论文从理论和试验两方面对带限位器的冲击隔离系统的响应及其影响因素进行了较为深入的研究。论文主要完成了以下几个方面的工作： 1.论文总结了有关舰船机械设备冲击隔离技术分析研究的大量文献，对它的研究背景和研究意义、国内外在理论分析方法和试验研究方面的现状、已有的研究成果及其存在的问题给予了较为全面的论述，同时对浮筏隔振系统及其特点进行了总结分析。在此基础上对带有限位器的单层隔离系统和浮筏隔振系统的冲击响应进行了更深入的研究。 2.把伪力法引入到带有限位器的单层隔离系统和浮筏隔振系统的冲击响应计算之中。建立了带有限位器的单层隔振系统和浮筏隔振系统计算模型，用伪力法计算冲击响应，并与冲击试验结果进行比较。结果表明采用伪力法计算带限位器的单层隔离系统和浮筏隔振系统的冲击响应是可行的。进一步利用伪力法计算分析了限位器间隙和刚度对系统的冲击响应的影响。 3.增量模态叠加法的主要优点是频率和振型是不断变化的以适应系统的瞬态动力特性。论文将增量模态叠加法推广应用于带有限位器的单层和多层隔振系统的冲击响应计算之中。计算结果与冲击试验结果及伪力法的计算结果基本一致，说明采用增量模态叠加法计算浮筏隔离系统的冲击响应也是可行的。论文利用增量模态叠加法计算分析了限位器安装位置及其参数对冲击响应的影响，为进行冲击隔离系统的优化设计奠定了基础。 4.建立了刚性筏体刚性基础系统、弹性筏体刚性基础系统、刚性筏体弹性基础系统及弹性筏体弹性基础系统四种有限元计算模型。计算分析了筏体和基础的弹性对系统的冲击响应的影响。计算结果表明，弹性筏体和弹性基础均有利于基础加速度冲击的隔离，但将使得筏体和机组的最大位移响应增大，同时弹性筏体会使得筏体中心最大加速度响应增大。对于四种浮筏隔振系统，限位器间隙与冲击响应之间的关系是相同的，即随着限位器间隙的减小，筏体和机组的最大加速度响应增大，而最大位移响应都减小。 5.冲击隔离系统限位器参数的优化计算问题是一个一般的有约束的非线性优化问题，也是一种最困难的最优化问题。利用伪并行遗传算法的思想，同时对基本遗传算法进行改造，提出一种伪并行改进遗传算法(PPIGA)，将其用于冲击隔离系统限位器参数的优化计算。首先利用一个典型测试函数：Ackley函数，对提出的伪并行改进遗传算法进行测试，证明该算法能消除早熟现象，并以较小的种群规模搜索到全局最优解。其次建立了与试验模型一致的单层隔离系统限位器参数优化计算模型，优化目标是在基础受到一定的加速度激励下使得机组垂向最大位移响应最小，约束条件是限制机组的垂向加速度的最大值小于一个给定的值。计算结果表明，通过优化计算得到的限位器最优参数能够满足约束条件并实现优化目标。最后建立了与试验模型一致的浮筏隔振系统限位器参数优化计算模型，这是一个多目标优化问题，优化目标是在基础受到一定的加速度激励下使得两个机组的垂向最大位移响应都尽可能小。约束条件是限制各机组的垂向加速度的最大值分别小于一定值，各机组与筏体之间的最大相对位移也被约束在一定的范围内。计算结果表明，通过优化计算得到的限位器最优参数同样能够满足约束条件并实现多目标优化。将增量模态叠加法和伪并行改进遗传算法结合在一起，解决了冲击隔离系统限位器参数的优化计算问题，这对于冲击隔离系统的优化设计具有重要的实际意义。 6.采用增量模态叠加法对MTU20V956型柴油机组双层隔振系统在垂向、横向和纵向激励作用下的响应，以及三个方向同时激励下的冲击响应进行了计算，得到了在不安装限位器、安装弹性限位器和刚性限位器等不同情况下的中间基座与柴油机在各方向上的位移冲击响应和加速度冲击响应。计算得到的结果较为合理，与MTU报告中给出的计算结果基本一致，表明该方法能够用于工程实例的计算。这为设计和评价带限位器的多层隔振系统提供了有实用价值的方法。 7.对带限位器的单层隔离系统和浮筏隔振系统进行了试验研究。设计制作了两种单层隔振系统模型和四种浮筏隔振系统模型，在冲击试验台上进行了模型试验。验证了伪力法和增量模态叠加法的计算结果，表明这两种方法在计算带限位器的舰船设备隔振系统冲击响应时均是适用和有效的。研究了限位器及其间隙对筏体和机组的加速度响应的影响。同时还研究了基础弹性和筏体弹性的影响，其结果与有限元分析结果基本一致，即基础和筏体的弹性对系统的冲击隔离效果具有积极的作用，因此在进行冲击响应计算和冲击隔离系统设计时如果采用刚体模型，其结果将是偏于安全的。
作者：	江国和
专业：	机械设计与理论
导师：	沈荣瀛
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文