一种抗冲击隔振的夹芯结构支吊架及设计方法

本发明属于船舶管路支吊架领域，具体涉及一种抗冲击隔振的夹芯结构支吊架及设计方法。

背景技术：

1、近年来，随着全球海洋资源开发问题的日益凸显以及国际海洋领域的争端日益加剧，越来越多的国家开始重视海洋问题。在船舶上，管路系统扮演着至关重要的角色，它是各种液体和气体传输的核心系统，确保船舶运行正常并保障了船员的生活需求。其中，管路支吊架作为船舶管路系统中受冲击载荷影响最为显著的部分，传统的管路支吊架仅仅起到固定管路的作用，在面对外部冲击等载荷时容易导致管路受损，从而影响船舶的正常运转，而本技术提出的夹芯结构支吊架不仅具备抵抗冲击载荷的能力，还具备隔振能力，有助于改善管路系统的应力分布，可以保障管路系统的安全运行并延长其使用寿命。

技术实现思路

1、本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种抗冲击隔振的夹芯结构支吊架及设计方法，与传统管路支吊架相比，具有更好的抗冲击及隔振性能，可以更好地保障管路系统的安全运行。

2、为了解决技术问题，本发明的技术方案是：

3、一种抗冲击隔振的夹芯结构支吊架，包括：圆环形四韧带反手性橡胶基体、振子芯体、支吊架主体、管夹和橡胶垫圈；所述支吊架主体和管夹之间通过阵列分布的圆环形四韧带反手性橡胶基体连接，所述管夹内侧设置安装橡胶垫圈；所述振子芯体包括：金属振子及包覆于金属振子表面的包覆层，所述包覆层内填充金属振子，并将包覆层嵌入所述圆环形四韧带反手性橡胶基体的空环圆腔中。

4、进一步，所述支吊架主体外径为l1内径为l2，由管路半径决定，橡胶垫圈厚度c与管路半径的和大于支吊架内径l2 0.2-0.5mm；所述圆环形四韧带反手性橡胶基体的布置方式为：将四韧带反手性橡胶单胞阵列出正方形结构，正方形边长应大于l1 1-2mm，并通过半径为l1和l2的两个同心圆模具进行切割，保留两圆中间的部分，具体的，四韧带反手性单胞相邻圆环中心的距离l应小于(l1-l2)/3,以保证四韧带反手性橡胶基体10至少由3层单胞组成；单胞圆环外半径r与韧带厚度t应由所需弹性模量具体计算得到；包覆层的外半径为rb并在其内部填充半径为rz的金属振子，具体的rz≤t，以保证手性橡胶基体有充足的形变空间。

5、进一步，所述包覆层及管夹采用阻尼材料，具体使用弹性硅胶或软橡胶材料，金属振子使用软金属或合金钢金属材料制成；支吊架主体及管夹选用45号钢，屈服极限为355mpa。

6、进一步，当外部载荷作用于管道时，各个方向的韧带会带动圆环的旋转，相邻圆环的旋转方向相反，从而引起韧带的弯曲变形；在这一过程中，结构的泊松比约等于-1，圆环节点与旋转方向相同；随着橡胶基体的形变，嵌入的振子具有一定的自由运动范围，暂时分离于基体；当管路承受的载荷通过管夹传播到手性橡胶基体内表面时，该表面首先发生变形，在应力波继续向外表面传播的过程中，外层结构开始发生变形并向外侧运动，在应力波作用后，手性橡胶周期结构在橡胶弹性作用下迅速恢复形变，考虑振子的惯性效应，振子会继续向外侧运动，受到周围手性结构的限制，振子与手性橡胶基体部分接触面会分离，当应力波到达橡胶基体的外表面时，外表面会发生压缩，然后应力波会发生反射，导致整个橡胶基体回弹；在振子向外侧运动的同时，手性橡胶结构逐渐向内侧恢复形变，限制了振子的运动趋势，并吸收部分冲击能量。

7、进一步，考虑加入金属振子增加了结构的相对质量，改变了原本支吊架的振动特性，从而降低了振动传递；基于橡胶基体及包覆层的阻尼特性，可吸收部分振动的能量并将其转化为热能，耗散了振动的能量，并且当振动频率与金属振子的共振频率一致时，金属振子会发生共振，吸收大量能量，从而有效提高了结构的隔振性能。

8、进一步，根据不同特定外部激励频率更换不同共振频率的金属振子。

9、一种抗冲击隔振的夹芯结构支吊架设计方法，所述方法应用于上述中任一所述的系统，所述方法包括：

10、s1：首先计算手性结构的等效弹性模量与泊松比；

11、s2：基于等效弹性模量与泊松比，根据不同船舶对抗冲击和隔振性能的要求，结合手性橡胶基体的弹性模量公式设计手性橡胶基体；

12、s3：根据特定的外部激励频率，选择振子芯体的金属振子，使得金属振子共振频率与外部激励频率相匹配，减小管路振动。

13、进一步，所述步骤s1包括：

14、考虑到结构胞元的周期性排布以及对称性，选取部分结构作为研究对象，其中l为相邻圆环中心的距离，r为圆环外半径，t为韧带厚度，le为韧带的有效长度。根据结构的几何关系，韧带的有效长度表示为：

15、

16、单胞关于圆环中心点旋转对称，韧带端点1和3在力f的作用下，产生旋转作用，因此单胞无法达到平衡状态，故而在韧带处存在力矩作用，可得：

17、

18、其中，r为圆环中层处的半径，m为1、3端点处的力矩，为2、4端点处的力矩；

19、忽略韧带的剪切力的作用，单胞应变能u可表示为：

20、

21、式中为母材弹性模量，i为韧带截面关于主惯性轴的转动惯量；

22、在变形过程中，假设竖直方向韧带保持平行即：

23、

24、联立公式（2）（4）可得：

25、

26、带入公式（3）可得：

27、

28、根据卡氏定理，y方向的位移可表示为：

29、

30、y方向的应变可表示为：

31、

32、所以手性结构在y方向的弹性模量可表示为：

33、

34、在计算结构的泊松比时，需要在韧带端点2和4加入虚力p，此时，单胞的应变能u为：

35、

36、根据卡式定理，单胞在水平方向的变形量为：

37、

38、因此，水平方向应变：

39、

40、泊松比可表示为：

41、

42、进一步，所述步骤s3包括：

43、金属振子的共振频率计算公式为：

44、

45、其中，k为金属振子的刚度系数，m为金属振子的质量；

46、根据特定外部激励频率选择金属振子，当外部激励频率与金属振子相匹配时，振子振幅急剧增加，从而将振动的机械能转化为内能，并通过与包覆层的摩擦转化为热能从而达到减振的效果；因此根据特定的外部激励频率更换不同共振频率的金属振子，从而更加广泛的满足不同船舶管路的减振需求。

47、与现有技术相比，本发明的优点在于：

48、（1）在管夹与支吊架内部填充四韧带结构可以提高结构的比强度和比模量，使支吊架具有更好的抗冲击吸能效果；

49、（2）在抗冲击方面，通过引入包覆层与金属振子组成的振子芯体结构，由于惯性效应，当应力波到达橡胶基体的外表面时，外表面会发生压缩，然后应力波会发生反射，导致整个橡胶基体回弹。在振子向外侧运动的同时，手性橡胶结构逐渐向内侧恢复形变，限制了振子的运动趋势，并吸收部分冲击能量。这种机制提高了结构的抗形变能力，起到了抗冲击的效果。在隔振方面，由于加入了金属振子增加了结构的相对质量，改变了原本支吊架的振动特性，从而降低了振动传递。由于橡胶基体及包覆层的阻尼特性，可以吸收部分振动的能量并将其转化为热能，耗散了振动的能量，并且当振动频率与金属振子的共振频率一致时，金属振子会发生共振，吸收大量能量，从而有效提高了结构的隔振性能。

50、（3）根据手性橡胶基体的弹性模量与泊松比公式，可以设计适用于各种不同抗冲击场景的支吊架，设计更加灵活，可以更好地满足不同船舶对抗冲击和隔振的要求。