一種包帶抱緊結構動態特性的試驗研究

楊新峰 楊慧 張旭

（1 航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

（2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

包帶一般用于抱緊設備或結構，它是具有一定寬度的、薄而長的金屬帶（多為鈦合金），包帶的兩端安裝有連接螺栓，可通過螺栓擰緊力矩對包帶施加預緊力。包帶在航天上最常見的應用是星箭連接解鎖包帶[1]，星箭連接解鎖包帶上安裝有V 型槽塊，對包帶施加預緊力則可以壓緊卡在V 型槽內的星箭連接法蘭，使衛星固定在火箭上。近年對星箭連接解鎖包帶進行了靜力承載、動態包絡、連接剛度、分離沖擊等諸多研究[2-5]，取得了有效的成果，其應用也較成熟。

目前，包帶也開始應用在衛星壓力容器的安裝上。衛星壓力容器，如高壓氣瓶，在充壓后會產生膨脹，而隨著在軌期間氣體的消耗，使壓力容器內部壓力降低、容器轉而從膨脹狀態變為收縮狀態。針對這種較大變形的變化特性，高壓氣瓶在衛星上不能完全固定安裝，而可采用包帶抱緊安裝方式，即用包帶把氣瓶抱緊到支架上，而支架用螺栓固定在衛星結構上。在包帶抱緊的安裝方式中，包帶具有較大的彈性和強度，可以允許高壓容器的變形，而包帶與容器之間還墊有毛氈避免剛性接觸。包帶抱緊方式涉及到復雜的摩擦力和阻尼層，其力學特性隨螺栓擰緊力矩不同而變化，不同形式的振動對阻尼的響應也不同，但這種特性變化規律目前還沒有進行過深入的研究，對其力學特性還沒有全面掌握。為深入了解其動力特性，將對衛星上這種包帶抱緊結構的力學特性進行試驗研究。

2 包帶抱緊結構介紹

以某衛星為例，氣瓶的包帶安裝抱緊結構由三部分組成：氣瓶支撐底座、包帶、鎖緊螺栓螺母。

氣瓶支撐底座為鑄鋁件（圖1），側壁厚2～3mm，安裝底面厚5mm，使用17個M5螺釘安裝固定。支撐底座的上部支撐環為氣瓶的主要接觸支撐面。為提高扭轉剛度，同時增加支撐底座上框的抗彎性能，在4個球冠支撐處設有加強肋板。氣瓶支撐座的尺寸只會影響組合體的剛度，而不影響包帶與氣瓶的連接剛度，也不會對包帶連接動特性的變化規律產生影響。

氣瓶包帶外形見圖2。安裝時，包帶穿過連接底座在氣瓶上半球處用螺栓螺母鎖緊。為了降低氣瓶與包帶之間的接觸應力，整條包帶長度應足以包覆氣瓶。

高壓氣瓶一般為球形，與包帶抱緊結構組裝后形成氣瓶包帶抱緊結構組件。組裝時，在氣瓶與包帶、支座的接觸面之間貼有毛氈，以減少應力集中和劃痕。氣瓶利用包帶抱緊結構的安裝示意圖如圖3所示。

圖1 支撐底座Fig.1 Support frame

圖2 包帶Fig.2 Belt

圖3 氣瓶包帶安裝方式Fig.3 Belt-clasp installation

3 結構頻率特性

施加一定的螺栓擰緊力矩，以保證整體結構的剛度。毛氈材料特性為非線性，在壓力下毛氈可以壓縮變形，但變形為非線性。毛氈的材料非線性將影響結構振動動態特性。初始壓力時，毛氈變形較大，對應的材料彈性模量較小，隨著壓力的增大，變形越來越小，對應的材料彈性模量較大。因此，逐步施加擰緊力矩后，毛氈將具有較高的彈性模量，整體結構的剛度可以提高。

為研究結構剛度即結構頻率的變化規律，對結構施加不同的擰緊力矩，使用0.5gn的正弦振動測量分別得到了整體結構的基頻數據。結構基頻隨擰緊力矩的變化規律見圖4。

圖4 抱緊結構的基頻隨擰緊力矩的變化曲線Fig.4 Variation of the fundamental frequency with the preload torque

從圖4可以看到，在1Nm 擰緊力矩下，抱緊結構的基頻為26.1Hz，頻率較低。隨著擰緊力矩的增大，結構基頻逐漸增高。在2Nm 至6Nm 的過程中，抱緊結構基頻增加較快，平均每1Nm 增加7.8Hz。在6Nm 的擰緊力矩下，抱緊結構基頻達到59.5Hz。6Nm 以后，隨著擰緊力矩增大，雖然結構基頻仍然上升，但增幅不大，大約2.3Hz/Nm。可以初步認為，6Nm 的擰緊力矩下結構動特性趨于穩定。

在6Nm 擰緊力矩下，結構達到的剛度已經滿足衛星使用要求，此外，此結構還需經受衛星上設備安裝處的動態載荷環境。依據星上使用狀態下的測量數據，其動態環境載荷按2gn計算。按0.5gn、2gn、0.5gn的振動量級，對整體結構進行正弦振動測量，其振動響應曲線見圖5。如圖5所示，兩次0.5gn振動曲線基本重合，說明在6Nm 擰緊力矩狀態下抱緊結構具有所需要的承載能力，而且動態環境載荷作用后結構頻率穩定。

圖5 6Nm擰緊力矩下頂部測點的振動響應曲線（對數坐標）Fig.5 Vibration response on the top of the structure with the preload torque of 6Nm

4 振動量級對頻率的影響

在這種結構中，安裝支架到氣瓶的作用力都通過毛氈傳遞。由于材料特性的非線特性以及界面的摩擦作用，在不同的受力大小情況下，其作用力與變形的關系會變化，因此，振動量級也會影響其力學特性。文獻[6]認為衛星在振動試驗中頻率漂移變化就是由衛星蜂窩夾層結構中的非線性引起。文獻[7]進一步驗證了衛星蜂窩夾層結構中的非線性對頻率漂移的影響。文獻[8]報導了振動量級引起的頻率下降，主要歸因于蜂窩與膠層的非線性以及結構連接的非線性。

為了研究振動量級的對抱緊結構頻率的影響，對其進行0.5gn、2gn、8gn的橫向正弦振動測量。為了模擬實際氣瓶的充壓狀態，經過初步的振動數據與前期的靜力試驗數據推算，確定振動環境試驗時，氣瓶充壓10MPa壓力，而擰緊力矩減少至3Nm，試驗中進行振動加速度的測量。

不同輸入量級的正弦振動的響應如圖6所示。從圖6可看出，隨振動量級的增加，最大響應相應的振動頻率從99.4Hz降到81.8Hz再降到56.5Hz，固有頻率隨著激振力的不同而產生了變化，這說明從支架通過毛氈到氣瓶的作用力傳遞具有強烈的非線性。這其中既有毛氈的非線性變形的作用，經觀測分析也有接觸面摩擦力的作用。在0.5gn、2gn、8gn不同振動量級的正弦振動激勵下，氣瓶頂部的最大響應分別為3.5gn、11.2gn、32.6gn，相對于輸入，氣瓶頂部測點的響應放大分別為7倍、5.6倍、4.1倍。在高量級的振動下，其響應放大倍數比較顯著地低于低量級振動的響應，表明毛氈及其接觸摩擦在不同振動量級下發揮的作用不同。

圖6 不同輸入量級（0.5gn、2gn、8gn）正弦振動結構頂部的響應曲線（對數坐標）Fig.6 Responses on the top of structure under different vibration levels（0.5gn、2gn、8gn）

5 振動響應的傳遞特性

按驗收級量級進一步對抱緊結構進行正弦振動和隨機振動的激勵和測量，振動條件見表1，分別測量支架與氣瓶上的響應，以此來分析毛氈對振動傳遞的影響。

表1 振動試驗條件Table1 Vibration conditions

5.1 正弦振動

驗收級正弦振動的最大加速度響應見表2，從表2中看到橫向正弦振動時，支架支撐環上最大振動加速度為34.2gn，略大于氣瓶頂部的加速度響應，是氣瓶頂部響應32.6gn的1.05倍。縱向振動時，支架上與氣瓶頂部的響應也十分接近。假如氣瓶與支架之間為直接剛性連接，而不是通過毛氈的連接，依據以往經驗數據，從支架支撐環到氣瓶頂部會有顯著的響應放大。而上述數據表明從支架到氣瓶響應并沒有相應放大，顯示這種狀態下毛氈起到減振作用，按簡化的一維振動模型推算，毛氈產生的阻尼系數應大于0.5。

表2 正弦振動加速度最大響應Table2 Maximum acceleration responses to sine vibrations

還可以看到，橫向振動時從支架根部到支撐環有較大的響應放大（支撐環上的響應約為支架根部響應的4.3倍），而縱向振動時支架根部到支撐環的響應基本不變。這主要是因為在正弦掃描振動頻率范圍0～100Hz內，存在一個橫向基本頻率而產生響應放大，而縱向基本頻率在此范圍之外。

5.2 隨機振動

驗收級隨機振動加速度的最大響應見表3，從表3中看到橫向隨機振動時，支架支撐環上最大振動總均方根加速度為43.5gn，氣瓶頂部的總均方根為2.5gn，支架支撐環上的響應約是氣瓶頂部的響應的17.4倍。這說明通過毛氈后，振動從支架支撐環上的43.5gn減低至頂部的2.5gn，減振約94%，減振作用相當明顯。即使相對于根部輸入的振動量級9.3gn，從支架根部輸入到氣瓶頂部的減振也達到約73%。

表3 隨機振動加速度最大響應Table3 Maximum acceleration responses to random vibrations

對于縱向振動，支架支撐環上的最大總均方根值為68.2gn，氣瓶頂部的總均方根值為8.8gn，支架支撐環上的響應約是氣瓶頂部的響應的7.8倍。從支架支撐環至氣瓶頂部減振約87%，減振顯著。支架根部振動輸入為17.86gn，從支架根部至氣瓶頂部減振約51%。

5.3 減振分析

通過上述試驗的數據可以看到：抱緊結構中，正弦振動響應在毛氈兩邊幾乎保持一致，抑制了一般結構中的響應放大現象。隨機振動時，抱緊結構支撐環上加速度響應最大，氣瓶頂部則響應最小，支撐環的振動通過毛氈到達氣瓶頂部后衰減很多；不論縱向或橫向振動，毛氈兩邊的隨機振動響應的衰減都在87%以上，而根部輸入至氣瓶頂部隨機振動衰減都在50%以上，其中橫向振動有著更優的表現。這充分說明抱緊結構具有顯著的特殊阻尼減振作用。在目前衛星及部件的減振相關研究中還沒有見包帶抱緊減振作用的報道[9]，聯結結構中振動傳遞損失在文獻[10]中進行了初步研究，認為可以得到15～30dB的振動減離。

還可以看到本結構中的毛氈對不同振動種類的影響是不同的。對隨機振動，它有著十分顯著的減振作用。其主要原因是因為隨機振動頻譜范圍都比較寬廣，能量比較分散，各頻率的振動相位都不同，振動力在毛氈層中有相當的抵消作用。對于正弦振動，每一時刻振動力都集中在某一頻率，因此，不會像隨機振動那樣有顯著的減振作用，但相比于一般結構件毛氈也達到了不擴大正弦振動響應的效果。

抱緊結構展現出的減振作用具有重要意義，對于以隨機振動為主振動環境，都可以充分借鑒抱緊結構的減振方式，而且這種方式簡單、經濟、可靠。

6 結論

抱緊結構的連接毛氈材料非線性對結構頻率影響較大，隨擰緊力矩增大，毛氈壓縮剛度增加而引起基頻升高。6Nm 擰緊力矩以后，毛氈壓縮剛度趨于穩定值，從而組件結構頻率變化不大，結構動特性基本穩定。另外，振動量級也對結構固有頻率產生影響，大的振動量級下，界面會克服摩擦產生較大的位移，導致抱緊結構固有頻率的降低。

毛氈在抱緊結構中顯著影響結構中振動傳遞特性。正弦振動時，毛氈兩邊的結構振動響應幾乎保持一致，沒有響應放大現象。隨機振動時，毛氈兩邊的隨機振動響應的衰減都在87%以上，而從根部輸入至結構頂部的隨機振動衰減都在50%以上，其中橫向振動的衰減優于縱向振動。抱緊結構這種減振形式可以借鑒應用于其他結構的減振中。

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