基于剪切阻尼的整星減振技術(shù)研究

楊樹(shù)濤，董 鍇，徐慶紅，廉永正，張業(yè)偉

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱，150001）

基于剪切阻尼的整星減振技術(shù)研究

楊樹(shù)濤1，董 鍇1，徐慶紅1，廉永正1，張業(yè)偉2

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱，150001）

衛(wèi)星在運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中經(jīng)歷復(fù)雜的振動(dòng)沖擊環(huán)境，惡劣的動(dòng)力學(xué)環(huán)境給衛(wèi)星的使用壽命帶來(lái)不利影響，甚至導(dǎo)致衛(wèi)星失效和破壞。通過(guò)對(duì)粘彈性阻尼材料的吸能減振原理的研究，提出基于剪切阻尼的整星減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)模擬衛(wèi)星、適配器及整星減振裝置組合體結(jié)構(gòu)開(kāi)展數(shù)值仿真預(yù)示和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，結(jié)果表明兩者吻合較好，驗(yàn)證了基于剪切阻尼整星減振技術(shù)的有效性。

剪切阻尼；整星減振；數(shù)值仿真；試驗(yàn)

0 引 言

隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力、噴流速度的不斷提高，衛(wèi)星在發(fā)射過(guò)程中將會(huì)經(jīng)歷越來(lái)越嚴(yán)酷的振動(dòng)、沖擊等動(dòng)力學(xué)環(huán)境，進(jìn)而給衛(wèi)星的工作性能和可靠性帶來(lái)嚴(yán)重影響，研究整星減振措施對(duì)于改善衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)環(huán)境具有重要的意義。1993年，美國(guó)空間研究實(shí)驗(yàn)室率先開(kāi)展整星隔振技術(shù)在工程應(yīng)用方面的研究，其研究的隔振系統(tǒng)在1998年金牛座火箭發(fā)射GFO衛(wèi)星任務(wù)中首次成功應(yīng)用[1,2]；歐空局歐洲航空防務(wù)及航天公司空間運(yùn)輸公司也開(kāi)展了針對(duì)阿麗亞娜5火箭的減振系統(tǒng)研究[3]。中國(guó)在整星隔振技術(shù)方面的研究起步較晚。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)航天科研院所與高校合作，對(duì)整星減振的理論進(jìn)行了探索，成為航天技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，但較少應(yīng)用于工程衛(wèi)星發(fā)射[4～8]。

本文研究了粘彈性阻尼材料的吸能減振原理，在不改變衛(wèi)星和適配器結(jié)構(gòu)的前提下，在衛(wèi)星適配器與運(yùn)載器之間設(shè)計(jì)一種新型圓盤(pán)式隔振器，通過(guò)阻尼層的剪切變形消耗能量，達(dá)到減振作用。針對(duì)模擬衛(wèi)星、適配器及整星減振裝置組合體結(jié)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)值仿真預(yù)示和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，結(jié)果表明仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，橫向和縱向減振效率分別達(dá)到21.4%和39.5%，驗(yàn)證了基于剪切阻尼整星減振技術(shù)的有效性。

1 減振原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 減振原理

隔振平臺(tái)一般采用阻尼器耗散振動(dòng)產(chǎn)生的能量，

從而保護(hù)被隔振物體免受破壞。粘彈性阻尼器是最常用的一種阻尼器，其中的粘彈性阻尼材料同時(shí)具有粘滯流體和彈性固體兩種特性，粘彈性阻尼材料兩側(cè)粘貼承力結(jié)構(gòu)，通過(guò)承力結(jié)構(gòu)對(duì)粘彈性材料的剪切提供阻尼力。這種阻尼器對(duì)微幅振動(dòng)比較敏感。因?yàn)檎硰椥宰枘崞鞯淖枘崃εc阻尼器兩端位移差有關(guān)，所以阻尼器應(yīng)安裝在相對(duì)位移最大處。針對(duì)本文不改變衛(wèi)星與適配器接口的前提，粘彈性阻尼器的上、下端應(yīng)布置在適配器下端與運(yùn)載器連接面上，才能達(dá)到最好的減振效果。粘彈性阻尼器變形示意如圖1所示。

圖1 粘彈性阻尼器變形示意

圖1 中，粘彈性阻尼器的阻尼力表達(dá)式為[2]

式中 β為損耗因子；k′為粘彈性材料剛度；x為阻尼器兩端相對(duì)位移。從式（1）可以看出，粘彈性阻尼器提供的阻尼力主要與3個(gè)參數(shù)有關(guān)，提高損耗因子β、材料剛度k′以及增加阻尼器兩端的相對(duì)位移x都有助于提高粘彈性阻尼器的阻尼力。

當(dāng)粘彈性阻尼器阻尼層很薄時(shí)，阻尼層剛度為

式中 A為粘彈性阻尼器阻尼層粘貼面積；G′為粘彈性阻尼器的儲(chǔ)能剪切模量；l為阻尼層厚度。為適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)減振效率的要求，一般通過(guò)調(diào)整粘彈性阻尼器的阻尼層粘貼面積A和阻尼層厚度l來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在不改變衛(wèi)星與適配器接口的前提下，本文在適配器與運(yùn)載器接口之間設(shè)計(jì)一種圓盤(pán)隔振器結(jié)構(gòu)，其主要組件為耗能阻尼元件，由上阻尼板、粘彈性材料、下阻尼板組成，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中改變耗能阻尼元件損耗因子β、粘彈性材料剛度k′和阻尼器兩端相對(duì)位移x，通過(guò)一系列數(shù)值仿真確定最終的設(shè)計(jì)參數(shù)值。隔振器系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 隔振系統(tǒng)組成示意

2 數(shù)值仿真計(jì)算

2.1 有限元建模

采用傳統(tǒng)教學(xué)法時(shí)，學(xué)生的考試成績(jī)?yōu)椋?4.23±2.92）分，實(shí)施PBL教學(xué)法后，學(xué)生的考試成績(jī)?yōu)椋?1.22±1.52）分，經(jīng)比較，采用PBL教學(xué)法學(xué)生的考試成績(jī)好于采用傳統(tǒng)教學(xué)法的學(xué)生，且有顯著性差異（P＜0.05），見(jiàn)表 2。

為了確保圓盤(pán)隔振器結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的隔振效果，在正式試驗(yàn)驗(yàn)證之前，建立了隔振系統(tǒng)的有限元模型，開(kāi)展數(shù)值仿真分析。其中，模擬衛(wèi)星和適配器采用簡(jiǎn)化有限元模型，并針對(duì)圓盤(pán)隔振器結(jié)構(gòu)建立詳細(xì)的有限元模型，如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 仿真計(jì)算分析

為了驗(yàn)證圓盤(pán)隔振器的減振效果，對(duì)加裝圓盤(pán)隔振器的前后兩種狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)和頻響仿真分析。加裝隔振器前后的頻率對(duì)比如表1所示，圖4、圖5分別為加裝隔振器前后模擬衛(wèi)星、適配器和圓盤(pán)隔振器組合體結(jié)構(gòu)在底部固支狀態(tài)下模態(tài)頻率和振型，圖6、圖7分別為加裝隔振器前后模擬衛(wèi)星與適配器界面典型節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)對(duì)比情況。從表1及圖4～7中可以看出，加減振器后整體結(jié)構(gòu)頻率略有降低，振動(dòng)量級(jí)得到了有效衰減。

表1 加裝隔振器前后頻率對(duì)比

圖4 一階橫向模態(tài)

圖5 一階縱向模態(tài)

圖6 加裝隔振器前后星箭界面橫向響應(yīng)

圖7 加裝隔振器前后星箭界面縱向響應(yīng)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證圓盤(pán)隔振器結(jié)構(gòu)的真實(shí)減振效果，針對(duì)模擬衛(wèi)星、適配器和隔振器組合體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加裝隔振器前后兩種狀態(tài)的橫向、縱向正弦掃描振動(dòng)試驗(yàn)，如圖8～11所示。

圖8 加裝隔振器前橫向模態(tài)試驗(yàn)

圖9 加裝隔振器后橫向 模態(tài)試驗(yàn)

圖10 加裝隔振器前縱向模態(tài)試驗(yàn)

圖11 加裝隔振器后縱向 模態(tài)試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12 加裝隔振器前后星箭界面橫向響應(yīng)

圖13 加裝隔振器前后星箭界面縱向響應(yīng)

由圖12可以看出，在橫向振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，加入隔振器后一階橫向頻率約下降0.6 Hz，其對(duì)應(yīng)響應(yīng)峰值降低了21.4%。由圖13可以看出，在縱向振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，加入隔振器后一階縱向頻率下降3 Hz，其對(duì)應(yīng)響應(yīng)峰值降低39.5%。因此，圓盤(pán)隔振器能夠起到很好的減振效果。同時(shí)可以看出，由于有限元模型在簡(jiǎn)化及連接結(jié)構(gòu)模擬過(guò)程中引入了一定誤差，因此，與縮比模型試驗(yàn)結(jié)果在量級(jí)上存在一定差異，但趨勢(shì)規(guī)律上吻合較好。

4 結(jié) 論

基于粘彈性阻尼材料減振原理，在不改變衛(wèi)星與運(yùn)載器適配器接口結(jié)構(gòu)的前提下，設(shè)計(jì)了一種新型圓盤(pán)隔振器結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了數(shù)值仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

a）圓盤(pán)隔振器結(jié)構(gòu)使衛(wèi)星橫向振動(dòng)量級(jí)降低了約21.4%，縱向振動(dòng)量級(jí)降低了約39.5%，起到了很好的減振效果；

b）圓盤(pán)隔振器在降低衛(wèi)星振動(dòng)量級(jí)的同時(shí)，使得模擬衛(wèi)星、適配器的組合體結(jié)構(gòu)頻率小幅下降，在工程應(yīng)用中應(yīng)避免與外界激勵(lì)載荷發(fā)生耦合；

c）數(shù)值仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了仿真計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

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Research of Whole-satellite Vibration Isolation Based on Shear damper

Yang Shu-tao1, dong Kai1, Xu Qing-hong1, Lian Yong-zheng1, Zhang Ye-wei2
(1. Beijing institude of aerospace Systems engineering, Beijing, 100076;
2. School of astronautic Harbin Institude of Technology, Harbin, 150001)

The satellite experienced complex vibration shock environment during the launch vehicle was in flight. Severe dynamic environment caused bad effects on the life of satellite, made the satellite losing efficacy and even destroyed the satellite completely. In this paper, energy absorption vibration damping principle of viscoelastic damping material was researched and design program of whole-satellite vibration damping structure was proposed. Numerical simulation prediction and test of combination structure of simulated satellite, adapter and whole-satellite vibration damping devices was carried out and the result showed that the simulation results were consistent to the test data which validated the effectiveness of whole-satellite vibration damping technology based on shear damping.

Shear damping; Whole-satellite vibration damping; Numerical simulation; Test

V414

a

1004-7182(2016)01-0089-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160121

2014-12-03；

2015-02-09

探月工程三期預(yù)先研究（TY3Q20110019）

楊樹(shù)濤（1984-），男，工程師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究