基于变密度点阵结构的全金属隔振技术研究.pdfVIP

摘要

在舰载动力装备、航空航天装备等技术领域，不仅对隔振器的隔振性能提出

了严苛需求，还要求隔振器抗疲劳、耐腐蚀及性能稳定可靠。现有橡胶隔振器在

上述装备运行的复杂特种环境中易发生老化，寿命与可靠性不足。点阵结构是一

种具有优异力学性能的结构，不仅轻质高强，还能定向功能设计，在大承载隔振

器设计中具有显著优势。均匀点阵结构因支柱直接相交，结点处存在几何突变，

导致应力集中效应，削弱结构力学性能，增加结构破坏风险；变密度设计通过调

整密度分布，优化应力分布，改善均匀点阵结构应力集中的现象，提高结构的整

体力学性能。论文面向舰载动力设备的隔振需求，设计一种基于变密度点阵结构

的全金属隔振器。主要研究内容如下：

首先，针对现有金属点阵结构应力集中的问题，在传统体心立方（BCC）点

阵结构的基础上，基于变密度思想提出一种低刚度的全金属隔振器构型。综合考

虑材料耐腐蚀、耐辐射、抗疲劳和可靠性等因素，选择316L不锈钢作为隔振器的

基体材料；分析不同结构形式特点，确定隔振器基础结构形式；在传统BCC点阵

结构理论的基础上，结合变密度结构特点，建立隔振器的理论模型，分别推导隔

振器的初始刚度、屈服强度与结构参数之间的关系，并通过有限元仿真的方法验

证理论模型的正确性。

其次，针对金属点阵结构刚度较大的问题，基于隔振器的刚度模型，分析隔

振器结构参数对隔振器刚度特性的影响规律；结合有限元分析，在不损失隔振器

承载能力的前提下，以降低隔振器刚度为目标，采用控制变量法对隔振器进行结

构参数优化；当隔振器承载设定为2.0t时，最终得到杆径夹角35°、大端直径4.0

mm、小端直径2.4mm、相对密度为0.121的中间小密度点阵结构形式为变密度点

阵隔振器的最优结构参数组合，其理论固有频率为18.3Hz。

然后，基于隔振器结构参数优化仿真分析，制备不同结构参数的隔振器样件，

开展隔振器单轴准静态压缩实验，验证不同结构参数对隔振器隔振性能的影响规

律；实验结果表明：最优结构参数的隔振器在2.0t承载下的固有频率为18.2Hz。

同时隔振器具备各向同性，横向静刚度与纵向静刚度之间的差值仅在10%。

最后，基于椭圆法动态测试原理，利用疲劳试验机对隔振器进行动态性能实

验，分析隔振器在额定载荷下的动态性能参数；实验结果表明：隔振器的动刚度

要略大于其静刚度，静动态性能实验测得的隔振器刚度差值为16.2%；最优结构

7

参数组合对应的变密度隔振器动刚度为3.1×10N/m，在2.0t承载下，测得点阵

隔振器的动态性能固有频率为19.8Hz，相比均匀点阵结构形式的隔振器，固有频

率降低了3.4Hz。

关键词：点阵结构；变密度；全金属隔振器

Abstract

Inthefieldofshipboardpowerequipment,aerospaceequipmentandother

technologies,notonlythevibrationisolationperformanceofthevibrationisolatorputs

forwardstrictrequirements,butalsorequiresvibrationisolatorfatigueresistance,

corrosionresistanceandstableandreliableperformance.Theexistingrubbervibration

isolatorsaresusceptibletodeteriorationinthecomplexandspecializedenvironmentsin

whichtheaboveequipmentoperates,andsufferfromalackoflongevityandreliability.

Latticestructureisastructurewithexcellen