新型近等強度高阻尼航天載荷隔振器研究

張針粒，李世其，朱文革，胡線會，祁 宙，馬天陽，王 躍，，劉志敏

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074;2.北京空間機電研究所，北京 100076)

航天載荷在運送至預定軌道的過程中，振動環境相當惡劣，受到多種靜態和動態載荷。從頻譜的分布來看，振動載荷包含幾十赫茲，到幾千赫茲的低中高頻振動與沖擊。航天載荷故障約45%正是由發射過程中的振動造成的［1］。采用減振技術，改善航天載荷的振動環境，可降低設計難度與風險、減少成本。

航天載荷隔振一般通過兩種途徑實現:

(1)替換原適配器為具有隔振性能的適配器［4］。這種方法不需要改變原有接口，但設計范圍限制在阻尼材料的貼附形式。

(2)在星箭之間安裝隔振器。這類隔振器按是否包含有源控制可分為主動隔振器和被動隔振器。主動隔振器隔振效果顯著，但在承載能力、功率、可靠性等方面存在著不足，未見針對發射階段隔振的實際應用案例［5］;被動隔振器結構形式簡單可靠，開發周期短，成本低。國內外已有很多研究與成功應用的報道［5－6］。國外被動隔振器的典型代表如美國CSA公司SoftRide UniFlex/MultiFlex［6］整星隔振器，已多次在實際發射中使用，取得了顯著的隔振、緩沖效果。國內的如由張軍等［7］設計的整星隔振器，通過有限元分析與振動試驗表明，該隔振器可有效地隔離衛星在寬頻帶上橫向和縱向振動。

經研究發現以上提到的典型整星隔振器主要有以下不足:

(1)隔振器支架水平部分的等厚度設計存在應力分布不均現象，安全系數有明顯提高空間，由于發射振動環境帶有隨機性，這種提高對航天發射的高可靠性要求顯得尤為必要。

(2)隔振器阻尼耗能較小。以張軍等［7］設計的整星隔振器為例，其阻尼比約為0.05。美國CSA公司［8］SoftRide MultiFlex整星隔振器結構與張軍等設計的整星隔振器結構相當接近，因此阻尼比應比較接近。由于發射振動環境的幅值高、頻率范圍寬，當激起共振時阻尼比小的隔振器不能有效地抑制共振峰，即使沒有發生失效，其安全裕度也較小。同時，適當提高阻尼比也有利于沖擊衰減［9］。從抑制共振提高安全裕度和衰減沖擊的角度看隔振器阻尼比需提高。

文中首先分析了航天發射環境對隔振器的設計要求，所設計新型隔振器特點。然后針對隔振器的支架設計，引入了等強度理論，設計了變厚度隔振器支架，對比分析了改進前后支架應力狀態。針對隔振器阻尼材料的設計，應用阻尼材料能量耗散理論及Rongong修正模態應變能方法，設計了新穎的梳狀剪切型阻尼結構，仿真分析了所達到的阻尼效果。最后，通過由30個隔振器組成的隔振系統的正弦掃頻與隨機振動試驗驗證了隔振器性能。

1 新型近等強度高阻尼隔振器簡介

根據航天領域應用的特殊性與發射階段振動環境的特點，分析航天載荷隔振器設計需求，可歸納為:

(1)發射階段振動力學環境存在不確定性，為此，隔振器應具有高安全系數，航天機械結構一般要求安全系數4以上，愈高愈好;

(2)發射階段振動力學環境所含頻率范圍寬廣，尤其在低頻段模態分布密集，容易激起共振，隔振器應具有較高阻尼，以抑制共振;

(3)在中高頻段，有效降低加速度響應均方值，以達到良好的衰減振動的作用;

(4)發動機點火、級間分離等事件伴隨有沖擊載荷，考慮到高可靠性要求，隔振器應設計沖擊保護機制。

考慮到以上航天載荷隔振器設計要求，所設計的新型隔振器(發明專利號:101392808)見圖1、圖2。隔振器支架由鈦合金TC4經慢走絲線切割整體式一次加工而成。自研以丁基為主的高阻尼材料硫化粘結在隔振器支架上。與前文提到的典型隔振器相比，主要具有以下特點:

(1)隔振器金屬支架基于等強度理論的變厚度設計(詳見第二節)，安全系數明顯提高;

(2)新穎的梳狀剪切型阻尼結構設計，隔振器等效阻尼比大幅提高;

(3)硬彈簧特性沖擊保護設計。當隔振器受沖擊壓縮變形超過5 mm時，沖擊保護槽開始發揮作用，變形愈大，阻尼材料的超彈性限位力愈顯著，具有硬彈簧特性，既發揮了沖擊保護的功能，又避免了金屬支架間的剛性碰撞(剛性碰撞可能使支架產生潛在裂紋甚至破壞);

(4)無縫硫化設計。約束阻尼型隔振器或類似結構存在一個工藝方面需要解決的難點，即確保在反復的振動循環中，阻尼材料與金屬支架保持牢固粘結。所設計新型隔振器由整體式模具在高溫高壓下壓注阻尼材料硫化而成，消除了主要剪切耗能阻尼材料與金屬支架梳狀齒之間的接縫。同時，金屬支架硫化表面噴砂處理。經此改進后的試驗再沒觀察到阻尼材料剝離現象。

圖1 新型航天載荷隔振器剖視圖Fig.1 Sectional view of new spacecraft payload isolator

圖2 新型航天載荷隔振器實物圖Fig.2 Photo of new spacecraft payload isolator

2 隔振器支架近等強度優化

前文提到的典型整星隔振器支架結構，都非常相似，由鈦合金材料制作成矩形空心隔振器支架，支架上下水平部分貼敷約束阻尼層，鈦合金支架水平部分的彎曲變形帶動阻尼層變形，形成阻尼作用。依此建立的隔振器支架組合梁簡化模型如圖3所示。

圖3 隔振器支架組合梁模型Fig.3 Composite beam model of isolator’s bracket

注意到梁模型的對稱性，可以只研究其四分之一模型，如圖4所示。

圖4 隔振器支架組合梁四分之一模型Fig.4 Composite beam model of isolator’s quarter bracket

等強度設計先針對隔振器的縱向(y向)載荷。橫向(x或z向)載荷對隔振器的作用不僅與單個隔振器有關，還與整個隔振系統的布局形式有關，通常是先根據縱向載荷設計隔振器參數，再整體驗證隔振系統橫向特性(見隔振系統試驗)。由隔振器支架尺寸比例知，縱向載荷對隔振器支架的主要作用是彎曲正應力，剪應力遠小于正應力，可先依據正應力要求設計隔振器支架，然后校驗剪應力強度要求。理想的隔振器支架等強度設計應使支架截面上最大彎曲正應力滿足:

式中，σmax為截面最大彎曲正應力;M(x)為彎矩方程;Wz(x)為矩形抗彎截面系數;［σ］為材料許用正應力;α為安全系數。

由材料力學知，在小變形假設及忽略軸力的情況下梁的擾度微分方程為［10］:

式中，y(x)為擾度方程;E為材料彈性模量;I(x)為梁截面慣性矩。

固有頻率是隔振器設計恰當與否的關鍵，過低固有頻率將導致相行程增大，可能造成干涉，同時火箭要求載荷的固有頻率不能低于某一下限;過高固有頻率不能取得期望的隔振效果。分析圖4所示模型，可依固有頻率公式［11］推得:

式中，fy為縱向固有頻率;K為隔振器縱向剛度;M為單個隔振器額定載荷質量;F為某一施加在C點的載荷;yc為由載荷F引起的C點縱向位移。

聯立式(1)～式(3)即可解得等強度厚度方程h(x)關于設計參數 L1，R，L2，b，α，［σ］，f，M 的方程。為防止截面厚度為零的情況出現，有必要進一步依式(4)校核最大剪應力強度條件，對h(x)進行修正。

式中，τmax(x)為x處最大剪應力;Q(x)為 x處剪力;［τ］為材料許用剪應力。

為驗證所提的隔振器支架等強度設計方法及達到的效果，設計了非等強度與等強度隔振器支架結構。為具有對比性，已使隔振器支架的性能參數保持一致(見表1)。非等強度與等強度隔振器支架示例結構有限元模型如圖5、圖6。

圖5 非等強度隔振器支架示例結構有限元模型Fig.5 FEM model of traditional isolator’s bracket

圖6 等強度隔振器支架示例結構有限元模型Fig.6 FEM model of equal strength isolator’s bracket

表1 兩種隔振器支架的參數Tab.1 Parameters of two isolators’brackets

非等強度與等強度隔振器支架截面最大應力在圖4所示曲線坐標系下的分布如圖7、圖8所示，從中可以得出以下結論:

(1)傳統非等強度隔振器支架應力不均，材料強度沒有充分揮發作用;

(2)應用等強度設計方法的預測結果與有限元分析的結果比較一致，有限元分析的等強度結構在h(x)=0附近應力有一個下凹的尖峰，這是因為實際等強度結構在h(x)=0附近做了圓整處理;

(3)應用等強度設計方法后，除h(x)=0附近外基本實現了應力均勻分布;

(4)有限元分析表明，等強度設計方法的應用使隔振器支架應力峰值降低了28.9%，即安全系數在原有基礎上提高了0.4倍。

圖7 非等與等強度隔振器截面應力對比(力學模型預測)Fig.7 Sectional stress of two isolators’brackets(by mathematic model)

圖8 非等與等強度隔振器截面應力對比(有限元分析)Fig.8 Sectional stress of two isolators’brackets(by FEA)

圖9 隔振器等效阻尼比與結構損耗因子關系曲線Fig.9 Equivalent damping ratio vs loss factor of isolator

3 隔振器高阻尼比優化

在設計具有高阻尼的隔振器時，應用阻尼比約為損耗因子一半的近似關系的會導致誤差過大，所以采取式(5)計算等效阻尼比［12］:

式中，Q為品質因子;ξ為隔振器等效阻尼比;η為隔振器損耗因子。

由式(5)可得隔振器等效阻尼比關于結構損耗因子的關系曲線如圖9，為單調遞增關系，但遞增速率逐漸減緩。

從圖9可以看出，隔振器等效阻尼比的提高需增大結構損耗因子。損耗因子可用模態應變能方法方便地計算獲得，當損耗因子較大時，傳統的模態應變能方法方誤差增大。Torvik等［13］通過對比研究發現，Rongong的修正方法是同類修正方法中最精確的，損耗因子計算式為［14］:

由式(6)可知，提高隔振器損耗因子有兩個途徑:提高材料損耗因子以及阻尼材料應變能比例。前者由阻尼材料參數決定，后者由選材及隔振器結構設計決定，所設計的新型隔振器在這兩方面均做了改進。

首先，在阻尼材料設計方面，自行配制并優選了以丁基為主的高阻尼材料，其50 Hz下動態機械分析(DMA)掃溫曲線見圖10，在6℃ ～60℃范圍內損耗因子高于0.5，30.5℃下達到峰值 0.87，與隔振器工作溫度范圍20℃ ～40℃相當吻合，使阻尼材料耗能特性得

到充分利用。

圖10 阻尼材料50Hz下DMA測試曲線Fig.10 DMA test of damping material under excitation with 50 Hz

然后，在隔振器阻尼結構設計方面，由簡諧激勵下阻尼材料每周期耗能公式(7)知，阻尼耗能效果除了與材料參數Gl(ω)有關外，還與阻尼材料的剪應變幅值及產生應變的材料體積有關。

式中，E是每周期阻尼材料損耗能量;Δ是單位體積每周期損耗能量;V是阻尼材料體積;γ是剪應變幅值;Gl(ω)是阻尼材料在頻率 ω下的損耗模量，是材料參數。

根據式(7)，在隔振器近等強度支架上，設計了梳狀剪切齒(見圖1)，該結構可使縱向振動轉化為阻尼材料以剪應變為主的變形。同時，與約束薄層阻尼結構相比，大幅增加了阻尼材料用量。

圖11 隔振器有限元模型剖視圖Fig.11 Profile view of isolator’s FEM

為驗證以上在阻尼材料和結構形式方面的優化實現的效果，對隔振器進行仿真分析，有限元模型如圖11、圖12所示，其中隔振系統由30個均勻圓周布局的隔振器與有效載荷組成。應用Rongong修正的模態應變能方法計算的相關參數與結果見表2。從表2中可以看出，隔振器在阻尼材料與阻尼結構設計方面的改進發揮了顯著作用，等效阻尼比達到 0.294，可有效抑制共振。同時，所設計的隔振器等效阻尼比值正好具有最佳的衰減沖擊的效果［9，15］。

圖12 隔振系統有限元模型Fig.12 FEM of vibration isolation system

表2 隔振系統仿真分析參數及結果Tab.2 Performance parameters of isolator by simulation

4 隔振系統試驗

根據航天載荷質量及隔振器額定載荷，隔振系統由30個隔振器組成，均勻圓周布局。為進行隔振系統試驗，設計了在質量、重心、尺寸、慣性矩方面相似的試驗模型代替真實載荷。隔振器上部接試驗模型的法蘭，下部接工裝底座，工裝底座固聯于振動臺上。試驗設備為702所30 t推力振動試驗系統。試驗系統組成見圖13，傳感器測點布局見圖14，x與y軸均為橫向，z軸為縱向。傳感器共設計7個測點，每個測點安裝三個方向的加速度傳感器。總共21個測量通道除了檢測隔振器的直接輸入輸出外，還有考察測量一致性，檢測遠離質心振動的作用。正弦振動與隨機振動試驗條件見表3。

表3 隔振系統正弦與隨機振動試驗條件Tab.3 Sinusoidal and random experimental conditions for vibration isolation system

簡明起見，下文正弦與隨機試驗結果均指4號測點的響應，代表隔振器最直接的性能。隔振系統正弦振動與隨機振動試驗結果見圖15～圖18。隔振系統性能參數見表4，可見，隔振系統具有相當高的等效阻尼比，實現了中低頻有效抑制共振，寬頻范圍內有效衰減加速度RMS值的目標。同時，從表4中還可以看出，縱向試驗結果與仿真分析結果相當接近，誤差約在10%以內。

圖13 試驗系統組成Fig.13 Experiment configuration of vibration isolation system

圖14 傳感器測點布局Fig.14 Sensors layout for vibration isolation system

圖15 橫向正弦掃頻試驗曲線Fig.15 Sinusoidal response of horizontal experiment

圖16 縱向正弦掃頻試驗曲線Fig.16 Sinusoidal response of vertical experiment

表4 隔振系統試驗性能參數Tab.4 Performance parameters of vibration isolation system

圖17 橫向隨機振動試驗曲線Fig.17 Random response of horizontal experiment

圖18 縱向隨機振動試驗曲線Fig.18 Random response of vertical experiment

表中，R為加速度RMS輸出與輸入的比率;其余符號含義同表2。

5 結論

(1)針對某航天載荷，設計出一種新型的具有近等強度、高阻尼、兼顧沖擊保護、阻尼材料粘結牢固等特點的航天載荷隔振器;

(2)在隔振器支架的設計中，由引入了等強度理論，設計了變厚度隔振器支架，對比分析表明，在基本不改變質量，體積，剛度的前提下安全系數提高了0.4倍;

(3)在隔振器阻尼材料的設計中，應用阻尼材料能量耗散理論及Rongong修正模態應變能方法設計了新穎的梳狀剪切型阻尼結構，使隔振器具有高等效阻尼比;

(4)所設計的隔振器等效阻尼比具有良好的沖擊衰減性能;

(5)由30個隔振器組成的隔振系統的正弦掃頻與隨機振動試驗驗證了隔振器能有效抑制中低頻共振(等效阻尼比:縱向0.318，橫向0.155)與衰減寬頻帶上隨機振動(加速度RMS輸出與輸入的比率:縱向0.45，橫向 0.27)。

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