爆炸载荷作用下新型组合隔震装置隔震性能试验与理论分析

摘要

爆炸产生的强烈冲击和振动效应可能对周围环境和人员、设备的安全造成严重威胁。这也使得结构在爆炸荷载作用下的隔振和吸振问题日益突出。本文设计制造了三种新型高阻组合式隔振装置，通过落锤冲击试验获得了自振周期、频率、阻尼比等特性参数。基于Duhamel积分原理，推导了组合隔振装置在矩形脉冲爆炸载荷作用下的动力响应解析解，并给出了传递率和隔振率的计算表达式。结合试验结果，利用理论计算公式得出了3种组合隔震装置在爆炸载荷作用下的隔震性能，并进一步对隔震性能的影响因素进行了参数化分析。研究结果为组合隔震装置在爆炸荷载作用下结构隔震减震中的应用提供了参考。

1.介绍

近年来，结构隔振与吸振领域受到越来越多的关注[1- - - - - -3.］．早在1976年，Harris Cyril等人[4]编写了《冲击与振动手册》，全面系统地论述了冲击与振动问题的各个方面，包括冲击与振动的理论基础、测量手段、减震与隔震技术、振动对人体的影响等。尚等人[5]通过准静力试验研究了三维隔震墩水平刚度的变化规律，建立了框架结构的隔震与非隔震模型，并进行了三维隔震墩隔震性能的时程分析。结果表明，在不同的地震动作用下，梁的水平加速度可降低40%以上，内力可降低30%以上。李及雪[6]对适用于大跨度结构的三维摩擦盘弹簧组合隔震支座进行了振动台试验研究。通过在水平方向施加简谐激励荷载和地震动激励荷载，分析了荷载变化和地震动强度对隔震支座隔震性能的影响。结果表明，摩擦盘弹簧复合隔震在水平和垂直方向均具有良好的滞回性能，垂直等效阻尼比在0.10 ~ 0.15之间。曾(7]开展了铅芯隔震组合支座竖向和水平刚度特性试验研究，分析了相同地震动条件下不同组合支座对上部结构隔震效果的影响。结果表明，铅芯橡胶轴承中的铅在一定程度上提高了轴承的剪切刚度，但对弯曲刚度的影响可以忽略。Xiang等人[8]采用MATLAB Simulink仿真软件分析了磁阻阻尼隔震系统的防爆隔震性能。结果表明，MR阻尼器能有效降低结构在爆炸荷载作用下的位移、加速度和振动剂量值(VDV)响应，具有较好的隔震性能。基于龙格-库塔方法，Yan等[9]，计算了双层隔震系统的动态响应，并根据VDV隔震标准研究了双层隔震系统在爆炸载荷作用下的隔震性能。夏(10]，采用有限元法分析了大型储罐在地震作用下的振动响应。采用橡胶支座与滑动支座组合后，可显著提高结构的隔震效率。结果表明，铅芯橡胶隔震支座与滑动支座的组合能在震后对结构产生较好的隔震效果，且隔震效率随着储油量的增加而增加，最大隔震效率接近50%。为了探讨地下硐室爆破过程中隔震结构的连续倒塌机理，Du和Zeng [11]采用LS-DYAN建立了钢筋混凝土框架隔震结构的计算模型。结果表明,结构的连续倒塌的主要原因是传输路径的失败引起的相邻成员的初始伤害目标成员的失败之后,初始伤害的程度是影响崩溃的规模结构的关键因素。

目前，对于一般地震荷载或地震荷载作用下隔震装置的隔震性能已有许多研究成果，但对于爆炸和冲击荷载作用下隔震装置的隔震性能研究较少。爆炸荷载引起的结构或周围环境的强烈振动效应对隔震装置的隔震性能提出了更高的要求。为此，本文研制了三种新型高阻组合式隔震装置，并从理论上和实验上研究了组合式隔震装置的隔震性能。从而为本文研制的新型组合隔震装置在结构防爆领域的应用提供参考。

本节介绍了组合隔离装置的实验研究和实验结果2．从理论上推导了组合隔振系统在爆炸载荷作用下的隔振性能计算公式，并在本节中计算了三种组合隔振装置的隔振率3.．本节对隔离装置的隔离性能进行了参数分析4,而部分5包含的结论。

2.组合隔离装置的实验研究

2．1．试验模型设计

研制了三种组合隔震装置，每一种隔震装置均由四个相同规格对称布置的钢弹簧和一个阻尼体组成。根据所选用的阻尼材料，将隔震装置依次命名为弹簧-气缸隔震装置、弹簧-橡胶隔震装置、弹簧-泡沫铝隔震装置，如表所示1．为获得可靠有效的试验结果，对每种隔震装置分别制作了2个模型。三种组合隔离装置的原理图和物理图如图所示1．

表格2列出了单钢弹簧的主要规格参数，从中可以发现所选钢弹簧的最大承载能力可达45.22 kN，允许最大变形为340 mm。这些钢弹簧具有承载能力高、变形大的特点。橡胶和泡沫铝阻尼分别采用氯化丁基橡胶和泡沫铝作为隔震装置的主要耗能单元，而气缸阻尼则采用常温空气填充。气缸阻尼在变形过程中通过侧孔压缩或吸收空气，消耗振动能量。

2．2.实验方案

试验采用落锤冲击加载的方法在坚硬平整的地面上进行，如图所示2．方钢配重固定在隔离装置顶部，边长70 cm，厚度5 cm。重量4.0t悬挂在隔离装置正上方的一定高度。当隔离装置处于静态状态时，通过突然释放冲击锤使其自由下落，使冲击载荷施加到隔离装置上。在隔离装置上板的下表面设置两个加速度传感器。通过动态信号测试系统获取各试验隔振装置的振动加速度信号。两个传感器布置在正方形顶板两侧的中点，与各自的板边距离为5cm。每个隔离装置都经过多次试验，直到获得合理有效的加速度信号。

2．3.测试结果及分析

为了消除加速度信号中的毛刺现象，五点三次平滑法[12，13]对原始加速度振动信号进行平滑处理，然后采用频域积分法[14，15，对平滑的加速度信号进行积分，得到隔离装置的位移时程曲线。

典型低阻尼系统的自由振动时程曲线如图所示3.．由于结构的实际阻尼特性非常复杂且难以确定，因此采用等效粘滞阻尼比ξ通常用具有相同衰减率的自由振动下的阻尼来表示实际结构的阻尼。对于低阻尼系统，通过计算较少间隔的响应波峰或波谷的阻尼比可以获得更高的精度。计算参数的公式可在[16］．

2.3.1。实测加速度时程曲线

根据落锤冲击试验的试验结果，选取各隔震装置的典型实测加速度时程曲线，如图所示4- - - - - -6．

从图中可以看出4- - - - - -6对于同一类型的组合隔震装置，所测加速度时程曲线具有不同的振动幅值。这是因为每次试验的落锤高度和落锤对隔离装置的初始冲击速度不同。隔振装置的配重在振动过程中共同在垂直方向作往复运动，使加速度时程曲线在平衡位置上下振动，且有多个峰值。在阻尼力作用下，加速度曲线的振动幅值迅速衰减为零。不同阻尼体的隔振装置加速度曲线的振动形式有很大的不同。弹簧-缸式隔震装置与弹簧-橡胶式隔震装置加速度曲线的振动形式相似，存在多个峰值，后续的峰值甚至超过初始峰值。而弹簧-泡沫铝隔震装置的加速度曲线呈单峰状态。

2.3.2。位移时程曲线

基于频域积分法，对隔离装置实测加速度时程曲线进行二次积分，得到相应的位移时程曲线，如图所示7- - - - - -9．

从图中可以看出7- - - - - -9隔振装置配重的位移时程曲线在平衡位置上下振荡，隔振装置中阻尼体的存在使隔振系统的能量逐渐消耗，振动位移峰值随时间的增加而迅速减小。在3s内，隔离系统基本恢复到原来的静态状态。

选取每个隔震装置自由振动阶段位移时程曲线中的3 ~ 4个峰进行分析。计算各隔离装置特征参数所选择的计算区域具体坐标如图所示7- - - - - -9．

2．4．组合隔离装置的特性参数

根据本节的分析2．3.2，可得到各组合隔震装置的动态特性参数，并得到同类型隔震装置动态特性参数的平均值，如表所示3.．

从表中可以看出3.三种组合隔振器的频率范围为1.901 Hz ~ 3.106 Hz，阻尼比范围为12.5% ~ 13.2%。阻尼材料不仅具有良好的吸声性能，而且在隔震装置中起到支撑作用，从而改变隔震装置的固有周期或频率。

3.隔震系统隔震性能计算

3．1.隔振系统的激励负载

本文研究的是激励负载隔震系统是一个指数衰减的短时间爆炸载荷。下式给出了爆炸荷载的具体衰减形式[17]：

当爆炸荷载持续时F（t)远小于隔振系统的自振周期，对隔振系统的响应x（t)主要取决于爆炸荷载的冲量，爆炸荷载时程曲线的形状对系统响应影响不大[18］．为了得到隔震系统在爆炸荷载、矩形冲击荷载作用下的响应解析解用等冲量构造代替实际爆炸载荷 ．若矩形脉冲载荷峰值与爆炸载荷峰值相同 ，则矩形脉冲负载的持续时间为: 在哪里和分别为爆炸负荷峰值和正超压持续时间。

等效矩形脉冲表示为

３．２．隔离系统隔离率的解析解

3.2.1之上。孤立系统运动方程的解析解

本文所研究的隔振系统属于单级主动隔振系统。假设隔离系统的质量为米时，隔离系统所承受的爆炸载荷为F（t)时，隔振系统的刚度为k，则阻尼系数为c，则隔震系统沿垂直方向的响应位移为x，如图所示10．则隔振系统的运动微分方程为:

通过引入阻尼比( )，运动方程可以写成 在哪里 为隔振系统的无阻尼角频率。

一般爆炸荷载作用下粘性阻尼隔震系统响应的Duhamel积分公式如下所示[16]： 在哪里 和为隔振系统的阻尼角频率。(1）当 ，等效矩形脉冲负载 ．隔振系统处于强迫振动阶段: 经过第二次部分积分，得到响应位移表达式的隔离系统: 对时间求导可得隔离系统响应速度表达式为: （2）当 ，等效矩形脉冲负载 ．此时，隔振系统处于自由振动阶段。位移和速度当时将受迫振动阶段的阶数作为阻尼自由振动的初始条件。位移响应计算如下: 在哪里

位移和速度在时间代入方程(10)．得到如下结果: 在哪里

对时间求导可得隔离系统响应速度表达式为:

方程(8)和(9)及方程式(13) - (15)为响应位移的解析解和反应速度时孤立系统的微分运动方程 和 ，分别。

3.2.2。隔离系统隔离率的计算

对于单级主动隔振系统，其输入是外部励磁负载 ，它的输出是扰动力由隔震系统传送至基座。从图中给出了单级主动隔震系统的力学模型10，可以看出

根据隔离系统传输速率的定义，任何隔离系统的传输速率都等于系统输出与输入比值的最大值[19］．对于本文提出的组合隔振系统，系统的传输率是给定基础的扰动动态幅值与初始激励载荷幅值的比值 ．因此，传输速率的时程曲线可以被定义为 在哪里为爆炸荷载的峰值。

代入位移响应的解析解以及响应速度在方程(16)，可得基础的扰动力为: 在哪里

结合公式(17)和(18)，我们可以得到

在振动过程中，时间历程曲线的分离率有以下关系 ：

隔离率还有传输速率的最大值可得和 ，分别。

3．3．组合隔离装置的隔离率分析

为了进一步比较和分析隔振装置的隔振效果，利用试验得到的组合隔振装置的基本参数，利用本文推导的隔振率公式计算隔振率和隔振率。三种隔离装置的主要性能参数见表4．值得一提的是刚度k的组合隔离装置4是根据动力试验得到的自振周期和试验期间的质量(4191 kg)计算的，该质量为隔振装置的动刚度。该组合隔离装置在正常工作条件下的质量仅为2,700公斤。根据质量，角频率ω_n重新计算隔离装置。经过计算，三种组合隔离装置在相同矩形脉冲负载下的透射率和隔离率曲线如图所示11．

从图中可以看出11，相同爆炸载荷下隔震装置的传爆率和隔震率曲线形状相似，但各曲线的峰值和衰减速度不同。弹簧-缸式隔震装置优于弹簧-橡胶隔震装置和弹簧-泡沫铝隔震装置。隔振装置的阻尼比越高，其后的透射率和隔振率的波峰频率越少，衰减越快，说明消能效果越明显，隔振和吸收性能越好。三种组合隔离装置的传输率和隔离率如表所示5．

在爆炸引起的强烈冲击和振动环境中，一个好的隔震装置不仅要求隔震效率高，而且要求隔震装置，特别是阻尼材料的再利用性能好。由于响应过程中不可避免的塑性变形，泡沫铝不适合作为理想的阻尼材料。从表中可以看出5与泡沫铝阻尼体相比，橡胶阻尼体和气缸阻尼体在工作状态下具有更高的可靠性。

4.隔震性能参数分析

对于受爆炸载荷作用的隔震系统，当其承载质量一定时，隔震装置的隔震效果受多种因素的影响[20.，21］．为了进一步分析影响隔振性能的因素，计算了不同刚度、阻尼比和角频率下隔振器的隔振率。

4．1.刚度的影响

为了研究矩形脉冲载荷下隔振装置刚度对隔振率的影响，得到了不同刚度下隔振率的变化规律。本文推导了隔振系统隔振率的计算公式3．2，得到三种不同阻尼比下的隔震率随刚度的变化曲线，如图12．

从图12时，隔振率随刚度的增大而减小。随着阻尼比的增大，隔振率的减小趋势随着刚度的增大而减小。当刚度较小时，三种阻尼比的隔振器的隔振率基本相同。

4．2．阻尼比的影响

为了分析阻尼比对隔振器隔振率的影响，计算了三种不同刚度条件下隔振率随阻尼比的变化曲线，如图所示13．

从图中可以看出13随着阻尼比的增大，隔振器的隔振率先增大后减小。相对于三条曲线的曲率，刚度越大，阻尼比对隔震率的影响越大。在隔震装置中存在一个与刚度无关的最佳阻尼比。最佳阻尼比为25.8%，在此条件下隔震装置的隔震率最高，隔震效果最好。

4．3．角频率的影响

为了分析角频率对隔振器隔振率的影响，得到了三种不同阻尼比下隔振率随角频率的变化曲线，如图所示14．

从图中可以看出14时，隔振器的隔振率随自振角频率的增加近似线性减小。隔震率的斜率与阻尼比有关。阻尼比越低，隔振效果随刚度的增大而减小的趋势越慢。

5.结论

本文设计制造了三种新型组合式隔震装置，并进行了实验和理论研究。基于Duhamel积分原理，得到了隔离装置隔离率的解析表达式，分析了组合式隔离装置的隔离性能及其影响因素。主要结论如下。(1）本文研制的弹簧-缸隔振器、弹簧-橡胶隔振器、弹簧-泡沫铝隔振器的阻尼比为0.125 ~ 0.132，隔振率在92%以上，具有良好的防爆和冲击隔振性能。（2）这三种阻尼材料不仅具有吸收作用，而且在隔振系统中起到支撑作用。圆柱阻尼体对隔振器的阻尼效果最小，但阻尼比最大。泡沫铝阻尼体的支撑效果最大，其阻尼比更接近橡胶阻尼体。（3）隔振器的隔振率随刚度和角频率的增大而减小。随着阻尼比的增大，隔震比先增大后减小，存在一个与隔震装置刚度无关的最佳阻尼比。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金资助项目(no . 11872072, no . 11402304, no . 51304219)。

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