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新型高阻尼航天载荷隔振器的研究

2017-04-21 15:52:29来源: 作者:xdnet

    航天载荷在运送至预定轨道的过程中,振动环境相当恶劣,受到多种静态和动态载荷。采用减振技术,改善航天载荷的振动环境,可降低设计难度与风险、减少成本。


    航天载荷隔振一般通过两种途径实现:

    (1)替换原适配器为具有隔振性能的适配器。

    (2)在星箭之间安装隔振器。这类隔振器按是否包含有源控制可分为主动隔振器和被动隔振器。主动隔振器隔振效果显著,但在承载能力、功率、可靠性等方面存在着不足,未见针对发射阶段隔振的实际应用案例;被动隔振器结构形 式简单可靠,开发周期短,成本低。国内外已有很多研究与成功应用的报道。国外被动隔振器的典型代表如美国CSA公司的SoftRideMultiFlex整星隔振器,已多次在实际发射中使用,取得了显著的隔振、缓冲效果。国内的如由张军等设计的整星隔振器,通过有限元分析与振动试验表明,该隔振器可有效地隔离卫星在宽频带上横向和纵向振动。


    经研究发现,上述提到的典型整星隔振器同时存在着以下的缺点:

   (1)隔振器支架水平部分的等厚度设计存在应力分布不均现象,安全系数有明显提高空间,由于发射振动环境带有随机性,这种提高对航天发射的高可靠性要求显得尤为必要。

   (2)隔振器阻尼耗能较小。美国CSA公司SoftRide UniFlex / MultiFlex整星隔振器阻尼较小。所以在发射振动环境的幅值高、频率范围宽的情况下,当激起共振时不能有效地抑制共振峰,即使没有发生失效,其安全裕度也较小。同   时,适当提高阻尼比也有利于冲击衰减。从抑制共振提高安全裕度和衰减冲击的角度看隔振器阻尼比需提高。文中首先分析了航天发射环境对隔振器的设计要求,所设计新型隔振器特点。然后针对隔振器的支架设计,引入了等强度理论,设计了变厚度隔振器支架,对比分析了改进前后支架应力状态。针对隔振器阻尼材料的设计,应用阻尼材料能量耗散理论Rongong修正模态应变能方法,设计了新颖的梳状剪切型阻尼结构,仿真分析了所达到的阻尼效果。最后,通过由30个振器组成的隔振系统的正弦扫频与随机振动试验验证了隔振器性能。

 

    1. 新型近等强度高阻尼隔振器简介

    根据航天领域应用的特殊性与发射阶段振动环境的特点,分析航天载荷隔振器设计需求,可归纳为:

    (1)发射阶段振动力学环境存在不确定性,为此,隔振器应具有高安全系数,航天机械结构一般要求安全系数4以上,愈高愈好;

    (2)发射阶段振动力学环境所含频率范围宽广,尤其在低频段模态分布密集,容易激起共振,隔振器应具有较高阻尼,以抑制共振;

    (3)在中高频段,有效降低加速度响应均方值,以达到良好的衰减振动的作用;

    (4)发动机点火、级间分离等事件伴随有冲击载荷,考虑到高可靠性要求,隔振器应设计冲击保护机制。考虑到以上航天载荷隔振器设计要求,所设计的新型隔振器。隔振器支架由钛合金TC4经慢走丝线切割整体式一次加工而成。


    自研以丁基为主的高阻尼材料硫化粘结在隔振器支架上。与前文提到的典型隔振器相比,主要具有以下特点:

    (1)隔振器金属支架基于等强度理论的变厚度设计,安全系数明显提高;

    (2)新颖的梳状剪切型阻尼结构设计,隔振器等效阻尼比大幅提高;

     (3) 硬弹簧特性冲击保护设计。当隔振器受冲击压缩变形超过5mm时,冲击保护槽开始发挥作用,变形愈大,阻尼材料的超弹性限位力愈显著,具有硬弹簧特性,既发挥了冲击保护的功能,又避免了金属支架间的刚性碰撞(刚性碰撞可能使支架产生潜在裂纹甚至破坏;

    (4)无缝硫化设计。约束阻尼型隔振器或类似结构存在一个工艺方面需要解决的难点,即确保在反复的振动循环中,阻尼材料与金属支架保持牢固粘结。所设计新型隔振器由整体式模具在高温高压下压注阻尼材料硫化而成,消除了主要剪切耗能阻尼材料与金属支架梳状齿之间的接缝。同时,金属支架硫化表面喷砂处理。经此改进后的试验再没观察到阻尼材料剥

离现象。


    等强度设计先针对隔振器的纵向(y向)载荷。横向(xz向)载荷对隔振器的作用不仅与单个隔振器有关,还与整个隔振系统的布局形式有关,通常是先根据纵向载荷设计隔振器参数,再整体验证隔振系统横向特性(见隔振系统试验)。由隔振器支架尺寸比例知,纵向载荷对隔振器支架的主要作用是弯曲正应力,剪应力远小于正应力,可先依据正应力要求设计隔振器支架,然后校验剪应力强度要求。

 

    非等强度与等强度隔振器支架截面最大应力的区别,可以得出以下结论:

    (1)传统非等强度隔振器支架应力不均,材料强度没有充分挥发作用;

    (2)应用等强度设计方法的预测结果与有限元分析的结果比较一致,

    (3)应用等强度设计方法后,基本实现了应力均匀分布;

    (4)有限元分析表明,等强度设计方法的应用使隔振器支架应力峰值降低了28.9%,即安全系数在原有基础上提高了0.4倍。

 

    在设计具有高阻尼的隔振器时,应用阻尼比约为损耗因子一半的近似关系的会导致误差过大,因此损耗因子可用模态应变能方法方便地计算获得,当损耗因子较大时,传统的模态应变能方法方误差增大。,提高隔振器损耗因子有两个途径:提高材料损耗因子以及阻尼材料应变能比例。前者由阻尼材料参数决定,后者由选材及隔振器结构设计决定,所设计的新型隔振器在这两方面均做了改进。首先,在阻尼材料设计方面,自行配制并优选了以丁基为主的高阻尼材料,其50Hz下动态机械分析,在6℃~60℃范围内损耗因子高于0.530.5℃下达到峰值0.87,与隔振器工作温度范围20℃ ~40℃相当吻合,使阻尼材料耗能特性得到充分利用。

然后,在隔振器阻尼结构设计方面,由简谐激励下阻尼材料每周期耗能公式知,阻尼耗能效果除了与材料参数有关外,还与阻尼材料的剪应变幅值及产生应变的材料体积有关。


    结 论

    (1)针对某航天载荷,设计出一种新型的具有近等强度、高阻尼、兼顾冲击保护、阻尼材料粘结牢固等特点的航天载荷隔振器;

    (2)在隔振器支架的设计中,由引入了等强度理论,设计了变厚度隔振器支架,对比分析表明,在基本不改变质量,体积,刚度的前提下安全系数提高了0.4倍;

    (3)在隔振器阻尼材料的设计中,应用阻尼材料能量耗散理论及Rongong修正模态应变能方法设计了新颖的梳状剪切型阻尼结构,使隔振器具有高等效阻尼比;

    (4)所设计的隔振器等效阻尼比具有良好的冲击衰减性能;

    (5)由30个隔振器组成的隔振系统的正弦扫频与随机振动试验验证了隔振器能有效抑制中低频共振(等效阻尼比:纵向0.318,横向0.155)与衰减宽频带上随机振动(加速度RMS输出与输入的比率:纵向0.45,横向0.27)。


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