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CN108317201A - 一种多稳态冲击隔离装置 - Google Patents

一种多稳态冲击隔离装置 Download PDF

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CN108317201A CN201810020115.5A CN201810020115A CN108317201A CN 108317201 A CN108317201 A CN 108317201A CN 201810020115 A CN201810020115 A CN 201810020115A CN 108317201 A CN108317201 A CN 108317201A
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李华军
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Abstract

本发明提供了一种多稳态冲击隔离装置，包括：承压直杆、上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳；所述承压直杆装夹在所述上压板和下压板之间，所述线性弹簧拉紧连接在所述上压板和下压板之间，所述第一外壳和第二外壳的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，所述第二外壳的上端面位于所述第一外壳的上端面的下侧，所述第二外壳的下端面位于所述第一外壳的下端面的下侧，所述上压板紧贴在所述第二外壳的上端面的下侧，所述下压板紧贴在所述第一外壳的下端面的上侧。本发明静态时具有高刚度，冲击载荷作用时，承压直杆发生弹性屈曲，多个稳定平衡状态依次出现，产生负刚度，装置整体刚度随之下降，可有效降低被隔离设备或结构的加速度响应。

Description

一种多稳态冲击隔离装置
技术领域
本发明涉及抗冲击装置技术领域，特别是涉及一种多稳态冲击隔离装置。
背景技术
海洋与船舶工程结构长期承受各类载荷，其中环境载荷(例如抨击、大幅垂荡)和其它外部载荷等(例如爆炸)必然使得装载设备承受高加速度冲击的反复作用，各类结构、材料中损伤逐渐累积，最终导致结构破坏及设备失效，有效实施冲击隔离已成为保证海洋与船舶工程装备可靠性的重大需求。
传统的设计方法总是先进行隔振设计，然后进行抗冲击校核。通常隔振器刚度较小而具有较好的冲击隔离率，但是会产生较大的相对位移，工程上通常使用限位器来限制其相对位移，由于刚度突增，该措施又会恶化冲击隔离率；另一方面，海洋与船舶工程装备自重都较大，为保证安装牢固，其支撑装置必需具有一定刚度，但高刚度对动态荷载隔离是很不利的。因此，本领域需要一种静态高刚度、动态低刚度的冲击隔离装置。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种能够有效抵抗冲击作用的静态高刚度、动态低刚度的冲击隔离装置。
本发明提供了一种多稳态冲击隔离装置，包括：承压直杆、上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳；所述承压直杆装夹在所述上压板和下压板之间，所述线性弹簧拉紧连接在所述上压板和下压板之间，所述第一外壳和第二外壳的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，所述第二外壳的上端面位于所述第一外壳的上端面的下侧，所述第二外壳的下端面位于所述第一外壳的下端面的下侧，所述上压板紧贴在所述第二外壳的上端面的下侧，所述下压板紧贴在所述第一外壳的下端面的上侧；所述第一外壳的上端面的下侧具有第一凸起，所述第一外壳的下端面上具有第一通孔，所述第二外壳的下端面的上侧具有第二凸起，所述第二外壳的上端面上具有第二通孔，所述第一凸起可伸缩地装配在所述第二通孔中，所述第二凸起可伸缩地装配在所述第一通孔中，所述第一凸起的高度大于所述第二通孔的深度，所述第二凸起的高度大于所述第一通孔的深度，所述第一凸起穿过所述第二通孔抵在所述上压板上，所述第二凸起穿过所述第一通孔抵在所述下压板上；其中，所述第一外壳和第二外壳的刚度大于所述承压直杆的刚度。
进一步地，所述线性弹簧具有两条或两条以上，且环绕所述承压直杆均匀地连接在所述上压板和下压板之间，所述线性弹簧平行于所述承压直杆。
进一步地，所述第一外壳和第二外壳的刚度是所述承压直杆的刚度的20-40倍。
进一步地，所述承压直杆的安装位置与所述第一外壳和第二外壳的长轴重合。
进一步地，所述第一外壳的上端面的上侧与被隔离结构固定连接，所述第二外壳的下端面的下侧与支撑结构固定连接；或者所述第一外壳的上端面的上侧与支撑结构固定连接，所述第二外壳的下端面的下侧与被隔离结构固定连接。
进一步地，所述第一外壳和第二外壳的结构相同，均为长方形框架状结构。
进一步地，所述承压直杆、上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳的材料均为钢。
进一步地，所述承压直杆为偏心结构压杆，其受到的压缩载荷逐渐增大的过程中，承压直杆依次出现局部弯曲构型和弯曲构型。
本发明装置在使用时，装置的轴向与载荷作用方向一致，若外部拉伸载荷作用于第一外壳的上端，第二外壳固定，第一外壳沿拉伸方向运动，上压板位移受到第二外壳的上端约束，此时承压直杆承受压应力。若第一外壳沿压缩方向运动，第二外壳固定，连接在第一外壳的上端面下侧的第一凸起穿过第二外壳的上端面的第二通孔将载荷作用于上压板上，位于承压直杆下端的下压板位移受到第二外壳下端的约束，第二外壳的下端面上侧的第二凸起穿过第一外壳的下端面的第一通孔抵住所述下压板，此时承压直杆仍承受压应力。第一外壳和第二外壳的刚度远大于承压直杆，以上过程中第一外壳和第二外壳的变形忽略。可见无论该装置第一外壳上端承受拉压作用，或者第二外壳的下端承受拉压作用，承压直杆都承受压应力，当载荷达到承压直杆的弹性屈曲阈值，即发生稳态转换，由直杆构型转换为弯曲构型，卸载时由弯曲构型回弹至直杆。承压直杆由轴压承载变为弯曲承载，其刚度大大降低，卸载时则从低势能态回弹，因此位移-载荷间存在相位差，即产生滞后耗散，这一过程中外力做功先转变为直杆的弹性势能，稳态转换后，弯杆刚度降低使其势能存储能力大大下降，原有势能释放后转换为动能，动能则以库伦阻尼或声能方式耗散，在结构软化和滞回耗散的共同作用下，外部高加速度激励得到隔离，被隔离装备加速度将大大降低。本发明采用结构钢材料制成，静态时具有高刚度，冲击载荷作用时，承压直杆发生弹性屈曲，多个稳定平衡状态依次出现，产生负刚度，装置整体刚度随之下降，可有效降低被隔离设备或结构的加速度响应。从而实现了静态高刚度、动态低刚度的冲击隔离功能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的一种多稳态冲击隔离装置的结构示意图；
图2a为本发明实施例的承压直杆伸直状态的结构示意图；
图2b为本发明实施例的承压直杆局部弯曲状态的结构示意图；
图2c为本发明实施例的承压直杆弯曲状态的结构示意图；
图3为本发明实施例的承压直杆的载荷-位移曲线图，其中，载荷单位为N，位移单位为m。
附图中标记为：
1 承压直杆
2 上压板
3 下压板
4 线性弹簧
5 第一外壳
51 第一凸起
6 第二外壳
61 第二通孔
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种多稳态冲击隔离装置，如图1所示，包括：承压直杆1、上压板2、下压板3、线性弹簧4、第一外壳5和第二外壳6；所述承压直杆1装夹在所述上压板2和下压板3之间，所述线性弹簧4拉紧连接在所述上压板2和下压板3之间，所述第一外壳5和第二外壳6的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，所述第二外壳6的上端面位于所述第一外壳5的上端面的下侧，所述第二外壳6的下端面位于所述第一外壳5的下端面的下侧，所述上压板2紧贴在所述第二外壳6的上端面的下侧，所述下压板3紧贴在所述第一外壳5的下端面的上侧；所述第一外壳5的上端面的下侧具有第一凸起51，所述第一外壳5的下端面上具有第一通孔，所述第二外壳6的下端面的上侧具有第二凸起，所述第二外壳6的上端面上具有第二通孔61，所述第一凸起51可伸缩地装配在所述第二通孔61中，同样的，所述第二凸起可伸缩地装配在所述第一通孔中，所述第一凸起51的高度大于所述第二通孔61的深度，所述第二凸起的高度大于所述第一通孔的深度，所述第一凸起51穿过所述第二通孔61抵在所述上压板上，同样的，所述第二凸起穿过所述第一通孔抵在所述下压板上；其中，所述第一外壳5和第二外壳6的刚度大于所述承压直杆1的刚度。
在本发明实施例的一个方面，所述线性弹簧4具有两条或两条以上，且环绕所述承压直杆1均匀地连接在所述上压板2和下压板3之间，所述线性弹簧平行于所述承压直杆，所述线性弹簧4平行于所述承压直杆1。承压直杆与线性弹簧共同置于上压板和下压板之间组成承载结构，承载结构预压缩后安装于第一外壳和第二外壳之间，上压板、下压板、承压直杆、第一外壳和第二外壳间紧密、稳固接触，其中第一外壳和第二外壳的刚度远大于承压直杆；优选的，所述第一外壳5和第二外壳6的刚度是所述承压直杆1的刚度的20-40倍。
在本发明实施例的一个方面，所述承压直杆1的安装位置与所述第一外壳5和第二外壳6的长轴重合。以保证承压直杆垂直受力。
在本发明实施例的一个方面，所述第一外壳5的上端面的上侧与被隔离结构固定连接，所述第二外壳6的下端面的下侧与支撑结构固定连接；或者所述第一外壳5的上端面的上侧与支撑结构固定连接，所述第二外壳6的下端面的下侧与被隔离结构固定连接。
在本发明实施例的一个方面，所述第一外壳5和第二外壳6的结构相同，均为长方形框架状结构。优选的，所述承压直杆1、上压板2、下压板3、线性弹簧4、第一外壳5和第二外壳6的材料均为钢。以实现本发明装置结构和力学性能的优化。
在本发明实施例的一个方面，所述承压直杆1为偏心结构压杆，其受到的压缩载荷逐渐增大的过程中，承压直杆1依次出现局部弯曲构型和弯曲构型。
本发明装置在使用时，装置的轴向与载荷作用方向一致，若外部拉伸载荷作用于第一外壳的上端，第二外壳固定，第一外壳沿拉伸方向运动，上压板位移受到第二外壳的上端约束，此时承压直杆承受压应力。若第一外壳沿压缩方向运动，第二外壳固定，连接在第一外壳的上端面下侧的第一凸起穿过第二外壳的上端面的第二通孔将载荷作用于上压板上，位于承压直杆下端的下压板位移受到第二外壳下端的约束，第二外壳的下端面上侧的第二凸起穿过第一外壳的下端面的第一通孔抵住所述下压板，此时承压直杆仍承受压应力。第一外壳和第二外壳的刚度远大于承压直杆，以上过程中第一外壳和第二外壳的变形忽略。可见无论该装置第一外壳上端承受拉压作用，或者第二外壳的下端承受拉压作用，承压直杆都承受压应力，当载荷达到承压直杆的弹性屈曲阈值，即发生稳态转换，由直杆构型转换为弯曲构型，如图2a中为直杆构型，图2b中为局部弯曲构型，图2c中为弯曲构型，卸载时由弯曲构型回弹至直杆。承压直杆由轴压承载变为弯曲承载，其刚度大大降低，卸载时则从低势能态回弹，因此载荷-位移间存在相位差(如图3示出了承压直杆的载荷-位移曲线图，其中，载荷单位为N，位移单位为m)，即产生滞后耗散，这一过程中外力做功先转变为直杆的弹性势能，稳态转换后，弯杆刚度降低使其势能存储能力大大下降，原有势能释放后转换为动能，动能则以库伦阻尼或声能方式耗散，在结构软化和滞回耗散的共同作用下，外部高加速度激励得到隔离，被隔离装备加速度将大大降低。本发明采用结构钢材料制成，静态时具有高刚度，冲击载荷作用时，承压直杆发生弹性屈曲，多个稳定平衡状态依次出现，产生负刚度，装置整体刚度随之下降，可有效降低被隔离设备或结构的加速度响应，从而实现了静态高刚度、动态低刚度的冲击隔离功能。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种多稳态冲击隔离装置，其特征在于，包括：
承压直杆、上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳；
所述承压直杆装夹在所述上压板和下压板之间，所述线性弹簧拉紧连接在所述上压板和下压板之间，所述第一外壳和第二外壳的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，所述第二外壳的上端面位于所述第一外壳的上端面的下侧，所述第二外壳的下端面位于所述第一外壳的下端面的下侧，所述上压板紧贴在所述第二外壳的上端面的下侧，所述下压板紧贴在所述第一外壳的下端面的上侧；
所述第一外壳的上端面的下侧具有第一凸起，所述第一外壳的下端面上具有第一通孔，所述第二外壳的下端面的上侧具有第二凸起，所述第二外壳的上端面上具有第二通孔，所述第一凸起可伸缩地装配在所述第二通孔中，所述第二凸起可伸缩地装配在所述第一通孔中，所述第一凸起的高度大于所述第二通孔的深度，所述第二凸起的高度大于所述第一通孔的深度，所述第一凸起穿过所述第二通孔抵在所述上压板上，所述第二凸起穿过所述第一通孔抵在所述下压板上；
其中，所述第一外壳和第二外壳的刚度大于所述承压直杆的刚度。
2.如权利要求1所述的一种多稳态冲击隔离装置，其特征在于，所述线性弹簧具有两条或两条以上，且环绕所述承压直杆均匀地连接在所述上压板和下压板之间，所述线性弹簧平行于所述承压直杆。
3.如权利要求1所述的一种多稳态冲击隔离装置，其特征在于，所述第一外壳和第二外壳的刚度是所述承压直杆的刚度的20-40倍。
4.如权利要求1所述的一种多稳态冲击隔离装置，其特征在于，所述承压直杆的安装位置与所述第一外壳和第二外壳的长轴重合。
5.如权利要求1所述的一种多稳态冲击隔离装置，其特征在于，
所述第一外壳的上端面的上侧与被隔离结构固定连接，所述第二外壳的下端面的下侧与支撑结构固定连接；或者所述第一外壳的上端面的上侧与支撑结构固定连接，所述第二外壳的下端面的下侧与被隔离结构固定连接。
6.如权利要求1所述的一种多稳态冲击隔离装置，其特征在于，所述第一外壳和第二外壳的结构相同，均为长方形框架状结构。
7.如权利要求1所述的一种多稳态冲击隔离装置，其特征在于，所述承压直杆、上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳的材料均为钢。
8.如权利要求1-7中任一项所述的一种多稳态冲击隔离装置，其特征在于，所述承压直杆为偏心结构压杆，其受到的压缩载荷逐渐增大的过程中，承压直杆依次出现局部弯曲构型和弯曲构型。
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