整星隔振平台的阻尼非线性对隔振性能影响的物理机理

ｉｏ ａｉ ｎ ｓ ｓｅ ｗａ ｉ ｔ ｈ ｆ ｒ ｔｏ ｆａ ｃ ｂ ｃ ｐ ｌｎｏ ａ ｕ ｃ ｉｎ ａ ｄ ｆａ ｔｏ ａ ｅ ｉ ａｉｅ ｏ ｒ ｔ ｒ ｎ ｈｅ ｓ ｌｔｏ ｙ ｔｍ ｓｂｕｌ ｗｉｈ ｔ ｅ ｄｅｏ ｍａｉｎ ｏ ｕ ｉ ｏ ｙ ｍｉｌｆ ｎ ｔｏ ｎ ｒ ｃｉｎ ｌｄ ｒｖ ｔｖ ｐｅ ａｏ ，ａ ｄ ｔ ｔ ｖ ｂ ａｉｎ ｔａ ｍｉｓｂｉ ｔ ｏ ｔ ｅ ｂ ｔｏ ｏ ｈ ｓ ｌｔ ｒｔ ｈ ａｅｌｔ ｓ ｏ ｔ ｉ ｅ ｓｎｇｈａｍｏ ｉ ｌａ ｅ ｍｅｈ ｄ．Ｔｈｅ ｉ ｒ ｔｏ ｒ ｎｓ ｓｉ ｌ ｙ ｆ ｍ ｈ ｏｔ ｍ ｆｔ ｅ ｉｏ ａｏ ｏ ｔ ｅ ｓ ｔｌｉｅ ｗａ ｂ ａｎ ｄ ｕ ｉ ｒ ｎ ｃ ｂａ ｎｃ ｔ ｏ ｉ ｒ ｐｈ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｈｅｖ ｂ ａｉｎ ｔａ ｓ ｓ ｉ ｉｉ ｆｔ ｅ ｖｂ ａｉ ｎ ｉｏａ ｉｎ ｓ ｓｅ ｉ ｆ ｃｅ ｘ ｉａｉ ｎ ａ ｌｔ ｄ ｎ ｇ ｏ ｎ ｅ ｏ ｎｏ ｈ ｔｔ ｉ ｒ ｔｏ ｒ ｎ ｍｉｓｂ ｌ ｙ ｏ ｈ ｉ ｒ ｔｏ ｓ ｌ ｔｏ ｙ ｔｍ ｓａｆ ｔ ｄ ｂｙ ｅ ｃｔ ｔ ｍｐ ｉｕ ｅ ｉ ｒ ｕ ｄ ｔ ｅ ｏ ｔ ｓｓｗａ ｘ ｌ ｉ ｅ ｒ ｍ ｈ ｓｃ ｃ ｎｉｍ ｓｎ ｕ ｒｃ ｌｓ ｌ ｔｏ ｓ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｒ ｖｄｅ ｅｅ ｅ ｃ ｏ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｅ ｔ ｓｅ ｐ ａ ｎ ｄ ｆｏ ｐ ｙ ｉａ ｍｅ ｈａ ｓ ｕ ｉ ｇ ｎ ｍｅ ｉａ ｏｕ ｉ ｎ ． ｌ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｐ ｏ ｉ ｄ ａ ｒｆ ｒ ｎ ｅ ｆ ｒ ｄ ｓｇ ｎ ｐｒ ｃｉ ａ ｐｐ ｉａ ｉｎ ｏ ｉｃ ｅｅ ｗｈ ｌ —ｐａ ｅ ｒ ｔｖ ｂ ａｉｎ ｉｏ ａｉｎ ｐ ａ ｆｒ ． ａ ｔｃ ｌａ ｌ ｔ ｆａ ｄ ｓ ｒ ｔ ｏｅ ｓ ｃ ｃａ ｉ ｒ ｔｏ ｓ ｌｔｏ ｌ ｔｏ ｃ ｏ ｆ ｍ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｎ ｎ ｉ ａ ｉ ａ ｉｎ；ｖ ｓ ｏ ｌ ｓｉ ｒ ｃｉｎａ ｅ ｉａ ｉｅ；ｄ ｍｐ ｎ ｏｌ ｎｅ ｒｖｂｒｔｏ ｉｃ ｅａ ｔｃ ｆａ ｔｏ ｌｄ ｒｖ ｔｖ ａ ｉ ｇ；ｖｂ ａｉ ｎ ｉｏ ａｉ ｎ ｉ ｒ ｔｏ ｓ ｌｔｏ
图 ４ 具有 ４个阻尼器 的振动传递率
Ｆｉ ４ Ｖｉ ａｉ ｒ ｎｓ ｓ ｉｉｉｙ ｏ ｍｐｅ ｓ ｇ． ｂｒ ｔ ｏｎ ｔａ ｍｉｓｂ ｌｔ ｆ４ Ｄａ ｒ
２ 具有 粘弹 性 阻尼 器 非线 性 的 整 星隔 振 系统
动 力学 模 型
分 析上述 实 验现 象可 能 是 由于整 星 隔 振平 台试 验
Ｆｉ ３ ｇ． Ｖｉ ｒ ｔｏ ｒ ｎ ｍ ｉｓｂｉｉ ｆ８ ｂ ａｉ ｎ ｔａ ｓ ｓ ｉ ｌｔ ｏ Ｄａ ｐ ｒ ｙ ｍ ｅｓ
ｍ 为卫星纵 向的模态剩余有效质量， 为卫星一阶模 。 态 有效 质 量所对 应 的 刚度 ，： 隔振 器 的 刚度 ；。 ｋ为 为非 线性 弹簧 ， 表示 粘 弹性 阻尼器 系统 的刚度 ； 、 、 分别 Ｍ
振 第３ ０卷第 １ ０期
动
与
冲
击
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ￣Ｉ ＲＡＴ ＯＮ ＡＮＤ ＨＯＣＫ Ｂ Ｉ Ｓ
整 星 隔振 平 台 的 阻尼 非线 性 对 隔振 性 能 影 响 的物 理 机 理
张业伟 ， 方 勃， 李 松， 唐 冶， 王
１０ ０ ） ５０ １
龙
（ 哈尔滨工业大学 航 天学院 ， 哈尔滨
通过试验曲线（ ３ ， 图 ）可以看出对于含有 ８ 个阻尼 器 的隔振平 台在大幅值激励下 的振动传递率明显小 于 小幅值激励下的振动传递率。在小幅值 和大幅值激励 下， 其一阶共 振频率随着激 励幅值 的变化并未产生频
率变化。 在相 同工 况下 对具 有 ８个 阻尼 器 的离 散 型 整 星 隔
摘 要 ：从物理机理出发 ， 用变形的三次多项式函数和分数导数阶算子建立了离散型隔振系统的非线性等效动力
学模 型 ， 通过谐波平衡 法得 出从隔振器底端 到卫 星的振动传递率 ， 利用 数值解从 物理机理 上解释 了地面实验 中隔振 系统 的振动传递率受激励 幅值影 响的现象 ， 为离散 型整星隔振平 台及其他整 星隔振 平台的设计和实际应用提供参考 。
ｍ Ｉ
—
—
ｍ ，
＾
系统简 化等 效动 力学 模 型 ，
如 图 ５所示 。
连 ＋
图 ５ 动 力 学 模 型
Ｆ ｇ ５ Ｄｙ ｍｉ ｄ ｌ ｉ ． ｎａ ｃ ｍｏ ｅ
图 ５中 ， 为 卫 星 的 ｍ
一
阶纵 向模 态有 效 质 量 ，
图 ３ 具有 ８个 阻尼器 的振动传递率
的频 带 内描 述 材 料 的力 学 行 为 等 优 点 ， 渐 的 应 用 到 逐 描 述 粘 弹性材 料 的 本 构 关 系 ， 立 群 利 用 分 数 导 数 陈
１ 实验 现 象
根据 整 星隔 振 平 台设 计 的 要 求 ， 题 组 提 出一 种 课
粘 弹性 本 构关 系对 弹簧 一质 量 系统 的简 谐 受 迫振 动进 行 了研究 ； 闫启 方 通 过 分 数 导 数 理 论 对 阻 尼 隔 振 系 统 进 行 了 研 究 。 对 于 刚 度 和 阻 尼 非 线 性 模 型 有 多 种 ¨ ， 国内外 学者 对 于 粘 弹性 阻 尼 材料 的非 线 性 研 但
来自百度文库
粘 弹性 阻 尼 材 料 的 力 学 性 能 介 于 粘 性 和 弹 性 之 间 ， 本构 关 系 复 杂 ， 模 困难 ， 大 应 变 条 件 下 表 现 其 建 在
出刚 度非 线性 和 阻 尼非 线 性 一Ｊ 。随 着非 线 性 振 动 理
论 和 粘 弹性 理 论 的 发 展 ， 数 导 数 本 构关 系 能 在 较 宽 分
整 星隔 振系 统 的振 动 传 递 率 发 生 变 化 ， 散 型 整 星 隔 离
行 了下 述理 论分 析 。
振平 台表现 出不 同 的隔 振 性 能 ， 面从 物 理 机 理 上 进 下
根 据文 献 ［４ 整 星 隔 １］
振 系统 简 化 等 效 动 力 学 模 型的方 法 ， 立 能够反 应 整 建 星隔振 系 统 一 阶振 动 特 性 的含有 粘 弹 性 阻尼 和 刚 度 非 线性 阻 尼 器 的整 星 隔 振
在整星隔振平 台底端 分别输入 １ｍ ｓ（ 幅值 ） ５ ／ 小 和 ｍ ｓ（ 幅值 ） 定 加 速 度 信 号做 为振 动 控 制 点 ， 到 ／ 大 恒 得
的从 隔 振 平 台 底 端 到 模 拟 卫 星 的 振 动 传 递 率 试 验
结果。
激发 出来 ， 而 粘 弹性 阻尼 器 系 统 的 阻尼 非 线 性 引 起 从
研究 ［ 。 “
本文 结合 实 验 现 象 ， 过 变 形 的立 方 多 项 式 函数 通
表示 粘 弹性 阻 尼 器 系 统 的刚 度 非 线 性 ， 数 导 数 阶 算 分
子来 描 述隔 振 系 统 的粘 弹 性 阻尼 器 阻尼 特 性 ， 立 了 建
隔振 设备 的振 动
。
整 星 隔振 系 统 的非 线 性 动 力 学 模 型 ， 用 谐 波 平 衡 法 应 得 出从 隔振 器 底 端 到 卫 星 底 端 的振 动 传 递 率 ， 用 简 利 化 等效 动力 学 模 型 从 物 理 机 理 上 解 释 了实 验 现 象 ， 保 证 了航 天器 在发射 过 程 中的安 全性 和可 靠性 。
在锥壳与上圆环板连接处。为了考察整星隔振平 台的 振 动特性 ， 整 星 隔振 平 台在 振 动 台上 进 行 了正 弦 扫 对
频试 验 ， 试所 用 的设 备及 系统 如 图 １ 示 ， 验 平 台 测 所 试
如 图 ２所 示
图 ３为整 星 隔 振 平 台在 有 ８个 阻 尼 器 的工 况 下 ，
关键词 ：非线性振动 ； 粘弹性分数导数 ； 阻尼 ； 隔振
中 图 分 类 号 ：Ｖ １ ． ４６２ 文献 标 识 码 ：Ａ
Ｐｈ ｓｃ ｌｍ ｅ ｈａ ｉｍ ｏ ｆｅ ｔｏ ｏ ｉ ｅ ｒ ｄ ｍ ｐｉ ｆａ ｙ ｉａ ｃ ｎ ｓ ｆ ｒ ｅ ｃ ｆ ｎ ｎｌｎ ａ ａ ｎｇ ｏ ｗｈ ｌ － ｐ ｃ ｃ ａ ｔｖ ｂ ａ ｉ ｎ ｓ ｌ ｔｏ ｌ ｔｏ ｍ ｎ ｉｓ ｖ ｂ ａ ｉ ｎ－ｓ ｌ ｔｏ ｈａ ｉ ｒ ｏ ｅ ｓ ａ ｅ ｒ ｆ ｉ ｒ ｔｏ ｉｏ ａ ｉ ｎ ｐ ａ ｆ ｒ ｏ ｔ ｉ ｒ ｔｏ ｉｏ ａ ｉ ｎ ｂｅ ｖ ｏ ｓ ＺＨＡＮＧ ｅ ｗｅ ，ＦＡＮＧ Ｙ— ｉ Ｂｏ，Ｌ ｏ ｇ，Ｔ ＩＳ ｎ ＡＮＧ ｅ，ＷＡＮＧ ｎ Ｙ ｇ
ｌ４ ７
振 动 与 冲 击
２１ ０ １年第 ３ ０卷
通过 图 ４可 以看 出具 有 ４个 阻 尼 器 的 隔振 平 台所
象一 致 。
产生 的试 验现 象 与具有 ８个 阻尼 器 的隔 振平 台试 验 现
图 １ 实 验 系 统 示 意 图
Ｆ ｇ １ Ｓ ｈ ｍａｉ ｉｇ ａ ｏ ｘ ｅ ｍｅ ｔｌ ｙ ｔ ｍ ｉ ． ｃ ｅ ｔ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｓｅ ｃ ｉ ｓ
图 ２ 隔振平 台实验照片
Ｆ ｇ ２ Ｖｉ ｒ ｔ ｎ ｉｏａ ｉｎ ｐａ ｆｒ ｅ ｐ ｒ ｎ ｈ ｔ ｉ ． ｂ ａｉ ｓ ｌｔ ｌｔ ｍ ｘ ｅｉ ｏ ｏ ｏ ｍｅ ｔｐ ｏｏ
采用 的是正 弦扫 频试验 ， 正 弦扫 频 试 验 中 ， 的激 励 在 总
量级 高 ， 弹性 阻 尼 器 系 统 非 线 性 阻尼 的效 果 被 强 烈 粘
阻尼 器是 由粘 弹 性 阻 尼 和 两 个 夹 板 组 成 ， 安 装 位 置 其
究多采 用 三 次 多项 式 函数 和 分 数 导数 阶算 子 进 行
基金项 目：国防科技工业 民用 专项科研技术研究项 目（Ａ１０ ６ ３ １ Ｃ ２０ ２ ０ ） 收稿 Ｅ期 ：２ １ ０ ｌ ００— ６—１ 修 改稿收到 日期 ：０ ０—１ ２ ２１ ０—０ ８ 第一作者 张业伟 男 ， 博士生 ，９ ２年生 １８ 通讯作者 方 勃 男， 教授 ， 博士生导师 ，９４年生 １６
粘 弹性 阻尼 隔振 减振 技 术 已广泛 的应 用 在航 空航 天 ， 车 等领 域 的振 动 控 制 中 ， 为 航 空 航 天 ， 车 工 汽 成 汽 程 中不可 缺少 的关 键技 术 。粘 弹性 阻尼 器 的隔振 主要
是 利 用粘 弹性 材 料 的剪切 流 动 耗 散 能量 特 性 来 减 小被
（ ｃｏｌ ｆ ｓ ｏａ ｔｓ ａｂ ｓｔｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ａｂｎ１０ ０ ，Ｃ ｉａ Ｓｈｏ ｏ ｔ ｎｕｉ ，Ｈ ｒｉ Ｉ ｔｕｅ ｆ ｃｎｌ ｙ Ｈ ｒｉ ５０ １ ｈｎ ） Ａ ｒ ｃ ｎ ｎｉ Ｔ ｏ
Ａｂｓｒ ｔ： ｔ ａｃ Ｓ ａ ｔｎ ｆｏ ｔ ｒｉ ｇ ｒ ｍ ｐ ｙ ｉａ ｍｅ ｈａ ｓ ， ｔ ｅ ｏ ｌｎ ａ ｑ ｉ ａｅ ｔ ｙ ａ ｃ ｈ ｓｃ ｌ ｃ ｎｉｍ ｈ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｅ ｕ ｖ ｎ ｄ ｎ ｍｉ ｍｏ ｅ ｏ ｄ ｓ ｒ ｔ ｖ ｂ ａ ｉｎ ｌ ｄ ｌ ｆ ａ ｉｃ ｅｅ ｉ ｒ ｔ ｏ
离 型整 星隔振 平 台 ， 隔 振平 台为 嵌 入式 平 台 ， 该 与锥 壳
适 配器 串联 ， 改 变 卫 星 与 运 载 火 箭 的接 口。该 隔 振 不
平 台主要 特 点是 能够 满 足多 轴 隔 振 的性 能 ， 构 简 单 ， 结
可靠性高 ， 易满 足卫 星发射要求。隔振平 台的单个 容