本发明涉及一种减振器，特别涉及一种在高冲击状态下达到设计阈值拐点时呈现高刚度特性的减振器。
背景技术：
设备与基础部分安装时通常需要通过减振垫连接，以确保外部振动不会传递给设备，也可以使得设备自身的振动不会传递给外界，即通过减振垫将振动分离开来。传统减振振垫是由橡胶组成，如图1所示。有些减振垫为了在不改变其尺寸的情况下达到提高刚度的目的，在橡胶内通过增加了金属钢丝来增加其刚度和强度，达到满足重型设备安装和隔振的要求。此类的减振器的刚度通常是随着变形量而线性变化的。
在一些场合，此类减振器不能满足实际需求，尤其在军用行业中，如舰艇和潜艇等军用设备中重要内部设备的安装和减振。以军舰中导航仪的安装为例，导航仪是用来精确定位的，故其安装后需要隔离外部振动干扰，确保能够提供足够的导航精度。然后在一些特殊阶段，比如收到外部冲击时(如炮弹的打击)，军舰会在瞬间收到数十倍加速度的冲击，冲击力会通过减振垫传递给设备，此时传统减振垫会在瞬间撕裂破坏，彻底失去减振效果，使得设备无法正常运行。这就意味着减振垫要满足正常工况，也需要满足一些可能发生的特定情况，这就使得减振垫的刚度要具备非线性的特性。
技术实现要素：
本发明的目的是确保减振器在常规工况下提供和橡胶相近的减振和阻尼效果，并在高冲击状态下达到设计阈值时呈现高刚度特性，确保设备和减振垫不会破坏，并使得设备能快速恢复正常运行状态，不影响设备功能。
本发明采用的技术方案如下：
一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，包括双u型弹簧和倒三角弹簧，所述双u型弹簧包括上安装面和下安装面，所述上安装面和下安装面之间设有相对向外侧弯曲的两个u型弹簧，所述u型弹簧的一端固定于上安装面上，所述u型弹簧的另一端固定于下安装面上，所述上安装面的下表面为下接触面，所述下安装面的上表面为弧形凹槽，所述倒三角弹簧为由上接触面、左弧形凸起、右弧形凸起、下弧形凸起共同包围而成的倒三角结构，所述倒三角弹簧的上接触面与双u型弹簧的下接触面固定连接，所述倒三角弹簧的下弧形凸起通过两个对称的接触点与双u型弹簧的弧形凹槽抵接，所述两个对称的接触点之间具有初始间隙，所述初始间隙为常规工况和冲击工况下的变换阈值。
更进一步的，所述上安装面用来与设备连接，所述下安装面和基础设施连接。
更进一步的，至少通过3个所述减振器对设备进行支承。
更进一步的，在冲击工况下，双u型弹簧的变形量大于间隙阈值时，所述下弧形凸起的面与弧形凹槽的面的贴合程度随着外部冲击载荷的增加而增加，减振器的支撑刚度非线性增大。
更进一步的，在常规工况下，减振器由双u型弹簧支承，倒三角弹簧不起作用。
更进一步的，所述双u型弹簧和倒三角弹簧采用高锰基阻尼合金材料。
更进一步的，所述减振器的固有频率f2x及其限制条件为：
更进一步的，所述双u型弹簧(1)在最大变形量下的应力σ2，以及倒三角弹簧(2)在最大变形量下的应力值σ3为：
本发明的有益效果如下：
(1)采用与橡胶具有相近阻尼系数的高锰基阻尼合金材料，利用双u型弹簧和悬挂式减振三角环相结合的减振结构，实现非线性变刚度减振特性；
(2)在双u型弹簧和倒三角弹簧之间存在间隙阈值，该阈值为在常规工况下双u型弹簧的最大变形量。当在冲击工况下时，设备的最大位移量超过该阈值，系统的减振由双u型弹簧结合倒三角弹簧共同起作用，且随着冲击的增加，双u型弹簧和倒三角弹簧之间的接触面积不断增加，使得支承刚度不断增加。这样减振器就能够保证设备不会被破坏，并能快速精确回位，保证设备的正常运转。该阈值点成为整个变刚度非线性曲线的拐点。这样整个结构就实现了在常规工况和特殊工况的切换；
(3)当系统有冲击载荷时，系统的刚度是由双u型弹簧以及双u型弹簧和倒三角弹簧之间的接触面积大小共同确定，接触面积越大，刚度越大。即在冲击情况下，系统的刚度是不是一个恒定值，而是一个根据外部冲击值的大小的不同而不断变化的多次曲线，此时减振垫具有一定的自适应特性，并能够获得更好的减振效果。
附图说明
图1是传统橡胶减振垫
图2是减振器总成图
图3是总成平面图
图4是分解图(俯视)
图5是分解图(仰视)
图6是倒三角弹簧未起作用下的变形图
图7是板簧未起作用下应力图
图8是倒三角弹簧与u簧接触面积最大状态下的变形图
图9是倒三角弹簧与u簧接触面积最大状态下的应力图
图中标记：1、双u型弹簧；2、倒三角弹簧；3、上接触面；4、上安装面；5、下安装面；6、下接触面；7、下弧形凸起；8、弧形凹槽；9、螺纹孔；10、第一设备安装孔；11、沉头孔；12、第二设备安装孔；13、底座安装孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图2为减振器总成图，通常情况下设备需要通过3个或4个减振器总成来支承。
图3为减振器总成的平面图，图中a为双u型弹簧和倒三角弹簧之间的间隙阈值，也是常规工况和冲击工况下的变换阈值。
图4-5为减振器总成的分解图，该减振器包括双u型弹簧1和倒三角弹簧2，双u型弹簧1包括上安装面4和下安装面5，上安装面4和下安装面5之间设有相对向外侧弯曲的两个u型弹簧，u型弹簧的一端固定于上安装面4上，u型弹簧的另一端固定于下安装面5上，上安装面4的下表面为下接触面6，下安装面5的上表面为弧形凹槽8，倒三角弹簧2为由上接触面3、左弧形凸起、右弧形凸起、下弧形凸起7共同包围而成的到三角结构，所述三角弹簧2的上接触面3与双u型弹簧1的下接触面6固定连接，所述三角弹簧2的下弧形凸起7通过两个对称的接触点与双u型弹簧1的弧形凹槽8抵接，所述两个对称的接触点之间具有初始间隙，所述初始间隙为常规工况和冲击工况下的变换阈值。上接触面3上设置有第一设备安装孔10，第一设备安装孔10两侧设置有螺纹孔9，所述上安装面4上设置有第二设备安装孔12，第二设备安装孔12两侧设置有沉头孔11，所述下安装面5上设置有底座安装孔13。
其中，倒三角弹簧2通过螺钉安装在双u型弹簧1的中间上部位置。安装完成后，双u型弹簧1和倒三角弹簧2之间具有初始间隙阈值a和倒三角弹簧2的有效可用设计空间b，如图3所示。图4-5中的上安装面4用来与设备连接，下安装面5和基础设施连接，倒三角弹簧2的上接触面3和双u型弹簧1的下接触面6通过沉头螺钉安装在一起。倒三角弹簧2的多个面构成下弧形凸起7，双u型弹簧1的多个面构成接触组合面组合f，当在冲击工况下时，双u型弹簧1的变形量大于间隙阈值a时，下弧形凸起7开始和弧形凹槽8起作用，使得系统的支撑刚度显著增加。另外值得注意的是，两组接触面组合的接触面积也随着外部冲击载荷的增加而增加，并且接触面积增加的同时，系统的支撑刚度也会非线性增大。
图6和图7分别为在常规工况下减振器的变形量在不超过阈值a时利用有限元分析获得的变形和应力图，在此工况下，设备由双u型弹簧1支承，倒三角弹簧2没有开始起作用。图8和图9为系统在最大冲击工况下减振器的变形量和应力图，在此工况下，双u型弹簧1和倒三角弹簧2的下弧形凸起7和弧形凹槽8的接触面积达到最大值。
另外，考虑到橡胶的强度和刚度较小，故在保证结构尺寸最小化并保证阻尼效果的要求下，选择高锰基阻尼合金或其它具有高阻尼效应的金属材料来设计和加工双u型弹簧1和倒三角弹簧2。
该类型减振器的设计方法和流程如下：
(1)获取设备重量m，外部主要激励源的激振频率f以及设计规划用的减振器的数量n；
(2)计算得到每个减振器所承担的重量m1＝m/n；
(3)设计双u型弹簧1，使得其刚度k1和所承担重量m1组成的子系统的固有频率f1小于外部激励频率f，通过理论振动公式计算获得此时双u型弹簧1的静变形量x1和最大动变形量x2。其中，系统固有频率f1及其限制条件以及x1分别为：
(4)计算双u型弹簧1在最大变形量x1 x2的工况下的应力值σ1，并确保其不超过其疲劳强度σf1，即：
σ1≤σf1(2)
(4)根据双u型弹簧1的最大变形量x1 x2，即可获得倒三角弹簧2和双u型弹簧1之间的间隙阈值a＝x1 x2。根据双u型弹簧1的内部有效设计空间尺寸来设计倒三角弹簧2，并假设外部不同冲击力产生不同面积的接触面产生不同的支承刚度，最大值为k2max，最小值为k2min，此处最大值和最小值可以通过有限元法计算获得。用k2x表示此区间[k2min,k2max]内的任意一值，此时减振器的总支撑刚度为k1 k2x，并确保设备在此支撑刚度下所构成的系统固有频率f2x大于外部激励频率f，此时倒三角弹簧2的位移变形量x3可通过振动理论公式计算获得。另外，固有频率f2x及其限制条件可表示为：
(6)计算此时双u型弹簧1的最大变形量等于x1 x2 x3下的应力σ2，且不超过其强度极限σb1，另外计算倒三角弹簧2在变形量x3下的应力值σ3，且不超过其屈服极限σs3，用公式表示如下：
(6)基于有限元分析校验公式(1)-(4)；
(7)完成设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，其特征在于：包括双u型弹簧(1)和倒三角弹簧(2)，所述双u型弹簧(1)包括上安装面(4)和下安装面(5)，所述上安装面(4)和下安装面(5)之间设有相对向外侧弯曲的两个u型弹簧，所述u型弹簧的一端固定于上安装面(4)上，所述u型弹簧的另一端固定于下安装面(5)上，所述上安装面(4)的下表面为下接触面(6)，所述下安装面(5)的上表面为弧形凹槽(8)，所述倒三角弹簧(2)为由上接触面(3)、左弧形凸起、右弧形凸起、下弧形凸起(7)共同包围而成的倒三角结构，所述倒三角弹簧(2)的上接触面(3)与双u型弹簧(1)的下接触面(6)固定连接，所述倒三角弹簧(2)的下弧形凸起(7)通过两个对称的接触点与双u型弹簧(1)的弧形凹槽(8)抵接，所述两个对称的接触点之间具有初始间隙，所述初始间隙为常规工况和冲击工况下的变换阈值。
2.根据权利要求1所述的一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，其特征在于：所述上安装面(4)用来与设备连接，所述下安装面(5)和基础设施连接。
3.根据权利要求1所述的一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，其特征在于：至少通过3个所述减振器对设备进行支承。
4.根据权利要求1所述的一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，其特征在于：在冲击工况下，双u型弹簧(1)的变形量大于间隙阈值时，所述下弧形凸起(7)的面与弧形凹槽(8)的面的贴合程度随着外部冲击载荷的增加而增加，减振器的支撑刚度非线性增大。
5.根据权利要求1所述的一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，其特征在于：在常规工况下，减振器由双u型弹簧(1)支承，倒三角弹簧(2)不起作用。
6.根据权利要求1所述的一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，其特征在于：所述双u型弹簧(1)和倒三角弹簧(2)采用高锰基阻尼合金材料。
7.根据权利要求1所述的一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，其特征在于：所述减振器的固有频率f2x及其限制条件为：
8.根据权利要求1所述的一种悬挂式变接触面积的非线性减振器，其特征在于：所述双u型弹簧(1)在最大变形量下的应力σ2，以及倒三角弹簧(2)在最大变形量下的应力值σ3为：
