基于现有舰船隔振系统的改进方法及装置

摘要

本发明提供了一种基于现有舰船隔振系统的改进装置，包括被隔振设备机架和弹性基座，被隔振设备机架与弹性基座之间设置有若干减振器以及并联有若干独立的竖向设置或横向设置的欧拉屈曲梁。本发明还提供了一种基于现有舰船隔振系统的改进方法，根据现有隔振系统的固有频率以及改进后的目标频率来确定欧拉屈曲梁所需的负刚度，再结合欧拉屈曲梁的刚度公式、舰船上的安装空间，来确定欧拉屈曲梁的几何尺寸参数、初始压缩量；将选定好的欧拉屈曲梁安装到被隔振设备机架与弹性基座之间。本发明在不改变原有隔振系统的基础上降低了隔振系统的固有频率，提高了隔振效果、降低振动传递、提高声隐身性。

说明书

技术领域

本发明涉及减振装置设计技术领域，尤其涉及一种基于现有舰船隔振系统 的改进方法及装置。

背景技术

舰船作为海军杀手锏武器和活动战略武器平台，承担着捍卫国家海洋国土 安全、维护和保障海洋权益的任务，也是敌方防范和打击的重点目标。因此， 具有较好的声隐身性对于降低舰船被发现的概率具有重要的军事意义。低速航 行时，潜艇的辐射噪声主要是其主辅机设备机械运转所产生的激励传递至艇体， 引起艇体振动后向水下辐射造成的。目前对动力设备振动传递的主要控制方法 是采取被动隔振措施，这种方法由于成本低廉，可靠性高而被广泛应用。但是 理论上，为了保证系统具有足够的稳定性及由于舰船上安装空间的限制，系统 的隔振系统的固有频率不能够太低，否则静变形太大，稳定性不足。目前通常 的隔振系统固有频率为12～15Hz左右。

若能够在保持相同静变形的条件下降低隔振系统的固有频率，则可以进一 步增大隔振区域，实现超低频隔振，降低振动传递，提高声隐身效果。目前的 一种趋势是，利用非线性隔振器的高静刚度低动刚度刚度特性来实现大的承载 能力、较小的静变形和较低的固有频率，解决超低频隔振的难题。

但是现有的非线性隔振器多为正负刚度一体的隔振器，体积较为庞大，对 艇上的摇摆、倾斜及冲击输入条件下的响应特性和稳定性仍不明确，在艇上的 适装性较差。

发明内容

为了解决这些问题，本发明提供了一种基于现有舰船隔振系统的改进装置， 包括被隔振设备机架和基座，所述被隔振设备机架与弹性基座之间设置有若干 减振器，所述被隔振设备机架与弹性基座之间还并联有若干独立的负刚度调节 机构，所述负刚度调节机构采用竖向设置或横向设置的欧拉屈曲梁。

较佳地，每个所述减振器旁边至少对应设置有一个欧拉屈曲梁。

较佳地，所述欧拉屈曲梁的一端上设置有用于调节欧拉屈曲梁压缩量的调 节螺母。

较佳地，所述基座为弹性基座。

较佳地，所述欧拉屈曲梁横向设置，所述欧拉屈曲梁的一端通过机架连接 结构安装到所述隔振设备机架的边缘处，另一端通过一基座连接结构安装到所 述弹性基座上，所述基座连接结构支撑其所述欧拉屈曲梁的另一端使其水平设 置。

较佳地，所述欧拉屈曲梁竖向设置，所述欧拉屈曲梁的一端通过机架连接 结构安装到所述隔振设备机架的底面上，另一端通过一基座连接结构垂直安装 在所述弹性基座上。

较佳地，每个所述欧拉屈曲梁至少包括有一片欧拉压杆。

本发明还提供了一种基于现有舰船隔振系统改进方法，采用以上所述的改 进装置，包括以下步骤：

步骤一，计算出现有隔振系统的固有频率，并根据现有固有频率以及改进 后的目标频率来确定欧拉屈曲梁所需的总的负刚度大小；根据所需设置的欧拉 屈曲梁的数量，即可获得每个欧拉屈曲梁的负刚度大小；

步骤二，每个欧拉屈曲梁中包括有一片或一片以上的欧拉压杆，根据欧拉 压杆的负刚度公式，获得欧拉压杆的负刚度大小与几何尺寸参数、初始压缩量 的关系；再结合步骤一中获得的欧拉屈曲梁所需的负刚度大小、舰船上的安装 空间，来确定欧拉压杆的片数、几何尺寸参数、初始压缩量；

步骤三，将选定好的欧拉屈曲梁安装到所述被隔振设备机架与弹性基座之 间。

较佳地，进一步包括以下步骤：

步骤四，所述欧拉屈曲梁安装好后，上下推拉所述被隔振设备机架，以保 证所述欧拉屈曲梁不会发生卡死；同时保证欧拉屈曲梁初始状态下处于压缩状 态。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和 积极效果：

本发明提供的一种基于现有舰船隔振系统的改进方法及装置，在原有舰船 隔振系统上，直接在被隔振设备架与弹性基座之间并联若干作为负刚度调节机 构的欧拉屈曲梁；在不改变原有隔振系统的基础上实现对隔振系统的支撑刚度 进行调节，在保证平衡点处的静态位移和稳定性的前提下，降低隔振系统的固 有频率，提高隔振效果、降低振动传递、提高声隐身性；且本发明具有结构紧 凑、操作简单的优点。

附图说明

结合附图，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特 征和优点，其中：

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为图1中的A-A向视图；

图3为本发明实施例一中欧拉屈曲梁的安装示意图；

图4为本发明实施例一中欧拉屈曲梁的安装原理图；

图5为本发明实施例二的结构示意图；

图6为本发明实施例二中欧拉屈曲梁的安装示意图。

符号说明：

1-被隔振设备

2-被隔振设备机架

3-欧拉屈曲梁

4-减振器

5-基座

3a-机架连接结构

3b-欧拉屈压杆

3c-调节螺母

3d-基座连接结构

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发 明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相 反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人 员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的 尺寸及相对尺寸。

实施例一

参照图1-3，本发明提供了一种基于现有舰船隔振系统的改进装置，是在原 有的舰船隔振系统的基础上进行改进，起到降低隔振系统的固有频率、提高隔 振效果、降低振动传递、提高声隐身性的作用。隔振系统系统包括有被隔振设 备机架2和基座，其中基座采用弹性基座5，被隔振设备机架2上安装有被隔振设 备1，被隔振设备机架2和弹性基座5之间还设置有若干减振器4。其中，减振器4 的具体结构形式可根据具体情况来选择，此处不作限制；减振器4的分布形式可 按照被隔振设备1的质量分布，质量分布大的地方减振器4的布置数目多点，当 质量分布不均匀的时候，减振器4优选的采用对称式的分布形式，减振器4的分 布形式以及设置数目此处均不作限制。

在本实施例中，在被隔振设备机架2与弹性基座5之间并联有若干横向设置 的负刚度调节机构。具体的，负刚度调节机构优选的采用欧拉屈曲梁3，其中优 选的每个减振器4的附近至少对应设置有一个欧拉屈曲梁3，当然欧拉屈曲梁3的 设置数目同样可根据被隔振设备1的质量及分布来确定，此处不作限制。

欧拉屈曲梁3可由一片或一片以上的欧拉压杆3b组成，具体片数根据具体情 况来选择，此处不作限制；欧拉屈曲梁3的一端通过机架连接结构3a安装到被隔 振设备机架2的边缘上，具体的机架安装机构3a固定安装到被隔振设备机架2的 边缘上，欧拉屈曲梁3与机架安装结构3a连接，并实现固定。欧拉屈曲梁3的另 一端通过基座连接结构3d安装到弹性基座5上，具体的基座连接结构3d垂直固定 安装在弹性基座5的上表面上，欧拉屈曲梁3的另一端插与基座连接结构3d连接， 基座连接结构3d用于支撑起欧拉屈曲梁的另一端使其水平设置。

在本实施例中，欧拉屈曲梁3连接基座连接结构3d的一端上还设置有调节螺 母3c，通过转动调节螺母3c可用来对欧拉屈曲梁3的压缩量进行调节。欧拉屈曲 梁3的压缩量的调节原理如下：利用调节螺母3c所示的螺纹进行调节，将欧拉压 杆进行压缩，由于欧拉压杆与基座连接结构的连接端是固定的，因此欧拉屈曲 梁3会发生不同量得压缩，其径向膨胀程度发生改变，这样即可获得不同的负刚 度。

本发明通过在被隔振设备机架2与弹性基座5之间并联若干欧拉屈曲梁3，在 保证隔振系统在平衡点处的静态位移和稳定性相同的前提下，有效的降低了整 个隔振系统的固有频率，从而进一步的增大了隔振区域，实现超低隔振，降低 了振动传递，从而有利于提高声隐身的效果；同时，欧拉屈曲梁3为独立的机构， 可通过安装结构直接安装到现有的隔振系统上，无需改变现有隔振系统的结构， 本发明结构简单紧凑，安装方便，有利于降低成本。当然，本发明提供的隔振 系统不仅仅适用于现有舰船隔振系统的改进，也可适用于其他设备的改进，也 可直接作为一种新型的隔振系统来制作、使用。另外，本实施例中将欧拉屈曲 梁水平设置时，由于欧拉屈曲梁在横向上增加了约束，会改变横向的固有频率， 其负刚度的调节能力大。

在本实施例中，本发明还提供了一种基于现有舰船隔振系统改进方法，具 体的包括以下步骤：

1、计算出现有隔振系统的固有频率，并根据现有固有频率以及改进后的目 标频率来确定欧拉屈曲梁3所需的负刚度大小；

具体的，如已知隔振系统的垂向固有频率为f₀Hz，被隔振设备和机架的质量 为m，需要改进后的隔振系统的目标垂向固有频率为f₁Hz，则可计算出所需总的 负刚度大小为k_总＝m·[(2πf₀)²-(2πf₁)²]；再根据舰船上安装空间大小确定的欧拉 屈曲梁的设置个数N，获得每根欧拉屈曲梁的负刚度k＝k_总/N。

2.对于欧拉屈曲梁横向布置时，每个欧拉屈曲梁3中包括有一片或一片以 上的欧拉压杆，根据欧拉压杆的负刚度公式，获得欧拉压杆的负刚度大小与几 何尺寸参数、初始压缩量的关系；再结合步骤一中获得的欧拉屈曲梁3所需的负 刚度大小、舰船上的安装空间，来确定欧拉压杆的片数、几何尺寸参数、初始 压缩量；

具体的，每个欧拉屈曲梁中设置有n个欧拉压杆，因此每个欧拉压杆的负刚 度k₀＝k/n；欧拉压杆的矩形截面的宽为b，厚度为h，欧拉压杆的长度为L，欧拉压 杆的刚度公式为：

式中，

其中，E是弹性模量，I是截面惯性矩，且

根据上述算的每个欧拉压杆的负刚度大小k₀＝k/n，以及上述据k₀的表达式， 即可给出满足所需k₀的几何尺寸参数(b,h,L,q₀)和安装尺寸(a,θ)。

3、将步骤2中确定好的欧拉屈曲梁3安装到被隔振设备机架2与弹性基座5之 间；

具体的，在舰船不工作的情况下，在被隔振设备机架2上线安装好机架连接 结构3a，同时在弹性基座5上安装好基座连接结构3d，然后将横置的欧拉屈曲梁 3两端分别嵌入机架连接结构3a和基座连接结构3d之间，待安装好后，锁紧各个 部分的连接螺母。

4、欧拉屈曲梁3安装好后，推拉被隔振设备机架2，以保证欧拉屈曲梁不会 发生卡死；同时保证欧拉屈曲梁初始状态下处于压缩状态。

具体的，同时上下推拉机架，保证欧拉屈曲梁3不会发生卡死，同时在平衡 点附近，欧拉屈曲梁在如图1、3中所示的水平位置，并处于压缩状态；然后通 过调节螺母3c对欧拉屈曲梁负刚度调节机构的压缩量进行调节。

本发明按照上述步骤安装好后，在静态工况下，负刚度调节机构—欧拉屈 曲梁3在平衡点位置处于水平，不提供垂向刚度，因此不会影响该点的静刚度及 静态时的压缩量；当设备在动态激励下上下振动时，此时负刚度调节机构—欧 拉屈曲梁3随之发生上下振动，发生倾斜，可以提供负刚度，负刚度叠加到现有 隔振系统的刚度上，实现隔振系统刚度的减小。

实施例二

参照图4-5，本实施例是在实施例一基础上的变换实施例，在本实施例中负 刚度调节机构采用竖向设置的欧拉屈曲梁，其余部分的结构均可参照实施例一 的相关描述，此处不作限制。

在本实施例中，欧拉屈曲梁3的一端通过机架连接结构3a安装到被隔振设备 机架2的底面，具体的机架安装机构3a固定安装到被隔振设备机架2的底面上， 欧拉屈曲梁3与机架安装结构3a连接；欧拉屈曲梁的另一端通过基座连接结构3d 安装到弹性基座5上表面上，具体的基座连接结构3d固定安装在弹性基座5的上 表面上，欧拉屈曲梁3的另一端与基座连接结构3d连接并实现固定。在本实施例 中，欧拉屈曲梁3连接机架安装机构3a的一端上还设置有调节螺母3c，通过转动 调节螺母3c可用来对欧拉屈曲梁3的压缩量进行调节。欧拉屈曲梁3的压缩量的 调节原理可参照实施例一中的描述，此处不再赘述。

本发明通过在被隔振设备机架2与弹性基座5之间并联若干欧拉屈曲梁负刚 度调节机构，在保证隔振系统在平衡点处的静态位移和稳定性相同的前提下， 有效的降低了整个隔振系统的固有频率，从而进一步的增大了隔振区域，实现 超低隔振，降低了振动传递，从而有利于提高声隐身的效果；另外，欧拉屈曲 梁数值设置时，为了达到隔振系统负刚度工作区域，必须对其进行预压缩，因 此本发明采用竖向布置的欧拉压杆能够提高隔振系统的承载能力，当到达负刚 度后，欧拉屈曲梁3在水平方向也已经失稳，不会改变横向的固有频率。

在本实施例中，本发明还提供了一种基于现有舰船隔振系统改进方法，具 体的包括以下步骤：

1、计算出现有隔振系统的固有频率，并根据现有固有频率以及改进后的目 标频率来确定欧拉屈曲梁3所需的负刚度大小；

具体的，如已知隔振系统的垂向固有频率为f₀Hz，被隔振设备和机架的质量 为m，需要改进后的隔振系统的目标垂向固有频率为f₁Hz，则可计算出所需总的 负刚度大小为k_总＝m·[(2πf₀)²-(2πf₁)²]；再根据舰船上安装空间大小确定的欧拉 屈曲梁的设置个数N，获得每根欧拉屈曲梁的负刚度k＝k_总/N。

2.每个欧拉屈曲梁3中包括有一片或一片以上的欧拉压杆，根据欧拉压杆 的刚度公式，获得欧拉压杆的负刚度大小与几何尺寸参数、初始压缩量的关系； 再结合步骤一中获得的欧拉屈曲梁3所需的负刚度大小、舰船上的安装空间，来 确定欧拉压杆的片数、几何尺寸参数、初始压缩量；

具体的，每个欧拉屈曲梁中设置有n个欧拉压杆，因此每个欧拉压杆的负刚 度k₀＝k/n；欧拉压杆的矩形截面的宽为b，厚度为h，欧拉压杆的长度为L，

对于欧拉屈曲梁竖向布置时，每个欧拉压杆的力和位移的关系为：

(式中，是失稳的临界载荷，E是弹性模量，I是截面惯性矩，u是在此力作用下的位移)

在失稳后刚度变小，其刚度计算的近似公式为P-P_e代表失 稳后的力)，实际上，由于欧拉压杆存在初始缺陷，其在屈曲后会出现负刚度， 负刚度的大小假设为k₀(k₀的大小和实际的缺陷有关系，需要通过测试得到)， 若得到了k₀，则具体计算步骤可参照实施例1中欧拉压杆的片数、几何尺寸参数、 初始压缩量的计算方法来计算，此处不作限制。

3、将步骤2中确定好的欧拉屈曲梁3安装到被隔振设备机架2与弹性基座5 之间；

具体的，在舰船不工作的情况下，在被隔振设备机架2上线安装好机架连接 结构3a，同时在弹性基座5上安装好基座连接结构3d，然后将竖向防止的欧拉屈 曲梁3两端分别嵌入机架连接结构3a和基座连接结构3d之间，待安装好后，锁紧 各个部分的连接螺母。

4、欧拉屈曲梁安装好后，推拉被隔振设备机架2，以保证欧拉屈曲梁3不会 发生卡死；同时保证欧拉屈曲梁3初始状态下处于压缩状态。

具体的，同时上下推拉机架，保证欧拉屈曲梁负刚度调节机构不会发生卡 死，同时在平衡点附近，欧拉屈曲梁在如图4-5中所示的竖向位置，并处于压缩 状态。然后通过调节螺母3c对欧拉屈曲梁负刚度调节机构的压缩量进行调节。

本发明按照上述步骤安装好后，在静态工况下，竖直的欧拉屈曲梁在平衡 点位置处于竖直状态，并处于即将失稳的工作点，其可以提供静态下的垂向刚 度，因此会增加该点的静刚度，减小静态时的压缩量，提高系统的稳定性；当 设备在动态激励下上下振动时，此时竖直的欧拉屈曲梁3在动载荷的作用下(动 载荷通常是静载荷的1.5～1.7倍)发生失稳，失稳后的欧拉压屈曲梁3可以提供负 刚度，负刚度叠加到现有隔振系统的刚度上，实现隔振系统刚度的减小。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不 脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应 限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明 精神和范围之内作出变化和修改。