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新型高阻尼航天載荷隔振器的研究
2017-04-21 15:52:29來(lái)源： 作者：xdnet
航天載荷在運(yùn)送至預(yù)定軌道的過(guò)程中，振動(dòng)環(huán)境相當(dāng)惡劣，受到多種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷。采用減振技術(shù)，改善航天載荷的振動(dòng)環(huán)境，可降低設(shè)計(jì)難度與風(fēng)險(xiǎn)、減少成本。
航天載荷隔振一般通過(guò)兩種途徑實(shí)現(xiàn)：
（1）替換原適配器為具有隔振性能的適配器。
（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(dòng)隔振器和被動(dòng)隔振器。主動(dòng)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(duì)發(fā)射階段隔振的實(shí)際應(yīng)用案例；被動(dòng)隔振器結(jié)構(gòu)形 式簡(jiǎn)單可靠，開發(fā)周期短，成本低。國(guó)內(nèi)外已有很多研究與成功應(yīng)用的報(bào)道。國(guó)外被動(dòng)隔振器的典型代表如美國(guó)CSA公司的SoftRideMultiFlex整星隔振器，已多次在實(shí)際發(fā)射中使用，取得了顯著的隔振、緩沖效果。國(guó)內(nèi)的如由張軍等設(shè)計(jì)的整星隔振器，通過(guò)有限元分析與振動(dòng)試驗(yàn)表明，該隔振器可有效地隔離衛(wèi)星在寬頻帶上橫向和縱向振動(dòng)。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，上述提到的典型整星隔振器同時(shí)存在著以下的缺點(diǎn)：
（1）隔振器支架水平部分的等厚度設(shè)計(jì)存在應(yīng)力分布不均現(xiàn)象，安全系數(shù)有明顯提高空間，由于發(fā)射振動(dòng)環(huán)境帶有隨機(jī)性，這種提高對(duì)航天發(fā)射的高可靠性要求顯得尤為必要。
（2）隔振器阻尼耗能較小。美國(guó)CSA公司SoftRide UniFlex / MultiFlex整星隔振器阻尼較小。所以在發(fā)射振動(dòng)環(huán)境的幅值高、頻率范圍寬的情況下，當(dāng)激起共振時(shí)不能有效地抑制共振峰，即使沒(méi)有發(fā)生失效，其安全裕度也較小。同 時(shí)，適當(dāng)提高阻尼比也有利于沖擊衰減。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(fā)射環(huán)境對(duì)隔振器的設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)新型隔振器特點(diǎn)。然后針對(duì)隔振器的支架設(shè)計(jì)，引入了等強(qiáng)度理論，設(shè)計(jì)了變厚度隔振器支架，對(duì)比分析了改進(jìn)前后支架應(yīng)力狀態(tài)。針對(duì)隔振器阻尼材料的設(shè)計(jì)，應(yīng)用阻尼材料能量耗散理論Rongong修正模態(tài)應(yīng)變能方法，設(shè)計(jì)了新穎的梳狀剪切型阻尼結(jié)構(gòu)，仿真分析了所達(dá)到的阻尼效果。最后，通過(guò)由30個(gè)振器組成的隔振系統(tǒng)的正弦掃頻與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了隔振器性能。
1. 新型近等強(qiáng)度高阻尼隔振器簡(jiǎn)介
根據(jù)航天領(lǐng)域應(yīng)用的特殊性與發(fā)射階段振動(dòng)環(huán)境的特點(diǎn)，分析航天載荷隔振器設(shè)計(jì)需求，可歸納為：
（1）發(fā)射階段振動(dòng)力學(xué)環(huán)境存在不確定性，為此，隔振器應(yīng)具有高安全系數(shù)，航天機(jī)械結(jié)構(gòu)一般要求安全系數(shù)４以上，愈高愈好；
（2）發(fā)射階段振動(dòng)力學(xué)環(huán)境所含頻率范圍寬廣，尤其在低頻段模態(tài)分布密集，容易激起共振，隔振器應(yīng)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(yīng)均方值，以達(dá)到良好的衰減振動(dòng)的作用；
（4）發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、級(jí)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(yīng)設(shè)計(jì)沖擊保護(hù)機(jī)制。考慮到以上航天載荷隔振器設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的新型隔振器。隔振器支架由鈦合金TC4經(jīng)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(jié)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(diǎn)：
（1）隔振器金屬支架基于等強(qiáng)度理論的變厚度設(shè)計(jì)，安全系數(shù)明顯提高；
（2）新穎的梳狀剪切型阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，隔振器等效阻尼比大幅提高；
(3) 硬彈簧特性沖擊保護(hù)設(shè)計(jì)。當(dāng)隔振器受沖擊壓縮變形超過(guò)5mm時(shí)，沖擊保護(hù)槽開始發(fā)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(fā)揮了沖擊保護(hù)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(chǎn)生潛在裂紋甚至破壞；
(4)無(wú)縫硫化設(shè)計(jì)。約束阻尼型隔振器或類似結(jié)構(gòu)存在一個(gè)工藝方面需要解決的難點(diǎn)，即確保在反復(fù)的振動(dòng)循環(huán)中，阻尼材料與金屬支架保持牢固粘結(jié)。所設(shè)計(jì)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(shí)，金屬支架硫化表面噴砂處理。經(jīng)此改進(jìn)后的試驗(yàn)再?zèng)]觀察到阻尼材料剝
離現(xiàn)象。
等強(qiáng)度設(shè)計(jì)先針對(duì)隔振器的縱向（y向）載荷。橫向（x或z向）載荷對(duì)隔振器的作用不僅與單個(gè)隔振器有關(guān)，還與整個(gè)隔振系統(tǒng)的布局形式有關(guān)，通常是先根據(jù)縱向載荷設(shè)計(jì)隔振器參數(shù)，再整體驗(yàn)證隔振系統(tǒng)橫向特性（見隔振系統(tǒng)試驗(yàn)）。由隔振器支架尺寸比例知，縱向載荷對(duì)隔振器支架的主要作用是彎曲正應(yīng)力，剪應(yīng)力遠(yuǎn)小于正應(yīng)力，可先依據(jù)正應(yīng)力要求設(shè)計(jì)隔振器支架，然后校驗(yàn)剪應(yīng)力強(qiáng)度要求。
非等強(qiáng)度與等強(qiáng)度隔振器支架截面最大應(yīng)力的區(qū)別，可以得出以下結(jié)論：
(1)傳統(tǒng)非等強(qiáng)度隔振器支架應(yīng)力不均，材料強(qiáng)度沒(méi)有充分揮發(fā)作用；
(2)應(yīng)用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與有限元分析的結(jié)果比較一致，
(3)應(yīng)用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法后，基本實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力均勻分布；
(4)有限元分析表明，等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用使隔振器支架應(yīng)力峰值降低了28.9%，即安全系數(shù)在原有基礎(chǔ)上提高了0.4倍。
在設(shè)計(jì)具有高阻尼的隔振器時(shí)，應(yīng)用阻尼比約為損耗因子一半的近似關(guān)系的會(huì)導(dǎo)致誤差過(guò)大，因此損耗因子可用模態(tài)應(yīng)變能方法方便地計(jì)算獲得，當(dāng)損耗因子較大時(shí)，傳統(tǒng)的模態(tài)應(yīng)變能方法方誤差增大。，提高隔振器損耗因子有兩個(gè)途徑：提高材料損耗因子以及阻尼材料應(yīng)變能比例。前者由阻尼材料參數(shù)決定，后者由選材及隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，所設(shè)計(jì)的新型隔振器在這兩方面均做了改進(jìn)。首先，在阻尼材料設(shè)計(jì)方面，自行配制并優(yōu)選了以丁基為主的高阻尼材料，其50Hz下動(dòng)態(tài)機(jī)械分析，在6℃～60℃范圍內(nèi)損耗因子高于0.5，30.5℃下達(dá)到峰值0.87，與隔振器工作溫度范圍20℃ ～40℃相當(dāng)吻合，使阻尼材料耗能特性得到充分利用。
然后，在隔振器阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由簡(jiǎn)諧激勵(lì)下阻尼材料每周期耗能公式知，阻尼耗能效果除了與材料參數(shù)有關(guān)外，還與阻尼材料的剪應(yīng)變幅值及產(chǎn)生應(yīng)變的材料體積有關(guān)。
結(jié) 論
(1)針對(duì)某航天載荷，設(shè)計(jì)出一種新型的具有近等強(qiáng)度、高阻尼、兼顧沖擊保護(hù)、阻尼材料粘結(jié)牢固等特點(diǎn)的航天載荷隔振器；
(2)在隔振器支架的設(shè)計(jì)中，由引入了等強(qiáng)度理論，設(shè)計(jì)了變厚度隔振器支架，對(duì)比分析表明，在基本不改變質(zhì)量，體積，剛度的前提下安全系數(shù)提高了0.4倍；
(3)在隔振器阻尼材料的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用阻尼材料能量耗散理論及Rongong修正模態(tài)應(yīng)變能方法設(shè)計(jì)了新穎的梳狀剪切型阻尼結(jié)構(gòu)，使隔振器具有高等效阻尼比；
(4)所設(shè)計(jì)的隔振器等效阻尼比具有良好的沖擊衰減性能；
(5)由30個(gè)隔振器組成的隔振系統(tǒng)的正弦掃頻與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)振動(dòng)（加速度RMS輸出與輸入的比率：縱向0.45，橫向0.27)。
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