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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來源: 作者:xdnet

    航天載荷在運送至預(yù)定軌道的過程中,振動環(huán)境相當(dāng)惡劣,受到多種靜態(tài)和動態(tài)載荷。采用減振技術(shù),改善航天載荷的振動環(huán)境,可降低設(shè)計難度與風(fēng)險、減少成本。


    航天載荷隔振一般通過兩種途徑實現(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(fā)射階段隔振的實際應(yīng)用案例;被動隔振器結(jié)構(gòu)形 式簡單可靠,開發(fā)周期短,成本低。國內(nèi)外已有很多研究與成功應(yīng)用的報道。國外被動隔振器的典型代表如美國CSA公司的SoftRideMultiFlex整星隔振器,已多次在實際發(fā)射中使用,取得了顯著的隔振、緩沖效果。國內(nèi)的如由張軍等設(shè)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(wèi)星在寬頻帶上橫向和縱向振動。


    經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),上述提到的典型整星隔振器同時存在著以下的缺點:

   (1)隔振器支架水平部分的等厚度設(shè)計存在應(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)射振動環(huán)境帶有隨機性,這種提高對航天發(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CSA公司SoftRide UniFlex / MultiFlex整星隔振器阻尼較小。所以在發(fā)射振動環(huán)境的幅值高、頻率范圍寬的情況下,當(dāng)激起共振時不能有效地抑制共振峰,即使沒有發(fā)生失效,其安全裕度也較小。同   時,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)境對隔振器的設(shè)計要求,所設(shè)計新型隔振器特點。然后針對隔振器的支架設(shè)計,引入了等強度理論,設(shè)計了變厚度隔振器支架,對比分析了改進前后支架應(yīng)力狀態(tài)。針對隔振器阻尼材料的設(shè)計,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)計了新穎的梳狀剪切型阻尼結(jié)構(gòu),仿真分析了所達到的阻尼效果。最后,通過由30個振器組成的隔振系統(tǒng)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(jù)航天領(lǐng)域應(yīng)用的特殊性與發(fā)射階段振動環(huán)境的特點,分析航天載荷隔振器設(shè)計需求,可歸納為:

    (1)發(fā)射階段振動力學(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,以達到良好的衰減振動的作用;

    (4)發(fā)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(yīng)設(shè)計沖擊保護機制??紤]到以上航天載荷隔振器設(shè)計要求,所設(shè)計的新型隔振器。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:

    (1)隔振器金屬支架基于等強度理論的變厚度設(shè)計,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,隔振器等效阻尼比大幅提高;

     (3) 硬彈簧特性沖擊保護設(shè)計。當(dāng)隔振器受沖擊壓縮變形超過5mm時,沖擊保護槽開始發(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)無縫硫化設(shè)計。約束阻尼型隔振器或類似結(jié)構(gòu)存在一個工藝方面需要解決的難點,即確保在反復(fù)的振動循環(huán)中,阻尼材料與金屬支架保持牢固粘結(jié)。所設(shè)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(jīng)此改進后的試驗再沒觀察到阻尼材料剝

離現(xiàn)象。


    等強度設(shè)計先針對隔振器的縱向(y向)載荷。橫向(xz向)載荷對隔振器的作用不僅與單個隔振器有關(guān),還與整個隔振系統(tǒng)的布局形式有關(guān),通常是先根據(jù)縱向載荷設(shè)計隔振器參數(shù),再整體驗證隔振系統(tǒng)橫向特性(見隔振系統(tǒng)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(yīng)力,剪應(yīng)力遠小于正應(yīng)力,可先依據(jù)正應(yīng)力要求設(shè)計隔振器支架,然后校驗剪應(yīng)力強度要求。

 

    非等強度與等強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)非等強度隔振器支架應(yīng)力不均,材料強度沒有充分揮發(fā)作用;

    (2)應(yīng)用等強度設(shè)計方法的預(yù)測結(jié)果與有限元分析的結(jié)果比較一致,

    (3)應(yīng)用等強度設(shè)計方法后,基本實現(xiàn)了應(yīng)力均勻分布;

    (4)有限元分析表明,等強度設(shè)計方法的應(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)計具有高阻尼的隔振器時,應(yīng)用阻尼比約為損耗因子一半的近似關(guān)系的會導(dǎo)致誤差過大,因此損耗因子可用模態(tài)應(yīng)變能方法方便地計算獲得,當(dāng)損耗因子較大時,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)計決定,所設(shè)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(shè)計方面,自行配制并優(yōu)選了以丁基為主的高阻尼材料,其50Hz下動態(tài)機械分析,在6℃~60℃范圍內(nèi)損耗因子高于0.530.5℃下達到峰值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)計方面,由簡諧激勵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)針對某航天載荷,設(shè)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(jié)牢固等特點的航天載荷隔振器;

    (2)在隔振器支架的設(shè)計中,由引入了等強度理論,設(shè)計了變厚度隔振器支架,對比分析表明,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(tǒng)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)。


文章出自:鋼絲繩隔振器,隔振器,鋼絲繩減震器,阻尼隔振器 http://swissbaroquesoloists.com/