某航天器仪器舱结构减振试验研究

某航天器仪器舱结构减振试验研究

STUDY ON VIBRATION SUPPRESS OF A CABIN STRUCTURE

BASED ON DYNAMIC TESTING

王 聪 徐世昌 牟全臣 黄文虎

(哈尔滨工业大学航天学院航天工程与力学系,哈尔滨150001)

WANG Cong XU Shichang MU Quecheng HUANG Wenhu

(Department o f Astronautic En gineering an d Mechanics,School o f Astronautics,H arbin I nstitute o f Technology,H arbin150001,China)

摘要 改善大型结构的动态特性对航天器总体设计具有十分重要的意义。本文基于粘弹性材料对振动能量的耗散原理,分析了利用约束阻尼对航天大型结构进行振动抑制的方法。以某航天器仪器舱为例,进行了附加约束阻尼前后结构动态特性试验与分析,结果验证了该方法抑制振动的可行性和有效性,对大型航天结构的减振设计具有实用价值。

关键词 航天结构 动力学特性 减振设计 约束阻尼结构

中图分类号 V435 TH113

Abstract To improve the dynamic properties of cabin structure are of great significance for spacecraft.Based on energy consumpti on of vi scoelas tic materials,in this paper a method of constrained damping is presented to suppress the vibration of large space structure.A si mple viscoelasticity model is given ou t for the constrained damping s tructure.As example,it is used to a practical rocket cabin structure,and modal experi ments and analysis are carried out.From mode shapes and FRF(Freq uency Response Functi ons) curves of some characteristic points,the ampli tudes of vibration are reduced obviously.Conclusions can be made that,as an impassive damping method,the constrained damping structure is proved to be feasible and effective.T he results are of useful for reference to other space structure.

Key words Space structure;Dynam ic property;Vibration suppression;C onstra ined damping structure

Correspon dent:WANG Con g,E-mail:alanwan g@

Manuscript received20000626,in revi sed form20000821.

1 引言

仪器舱是航天器中的关键结构,它的振动对航天器的可靠性和有效性有极大的影响。因而改善仪器舱的振动特性对提高设备整体使用效能意义重大。导致仪器舱振动的主要激励源是发动机和外界随机激励,火箭或导弹结构力学特性的研究表明,对环境振动的控制往往是有限的,因而减轻仪器舱结构的振动成为动特性设计的重要途径。对于大型壳体结构而言,有效地抑制振动的方法是增加结构的阻尼。通过模态分析,了解和掌握结构动力学特性,是进行仪器舱结构减振设计的前提条件。仪器舱是由柱壳、平板、伞壳及梁等组成,结构模态分析可以通过计算和试验两种途径实现,综合考虑模态试验和模态计算结果,进行适当的模型修改,可以获得相对精确的系统模态参数。进而有针对性地对目标结构进行减振设计。

本文采用约束阻尼结构的方法,对典型的航天复杂结构,某火箭仪器舱进行减振特性研究。利用结构动态测试与分析系统LMS C ADA X,对加约束阻尼前、后仪器舱结构的模态振型和部分特征点的频响特性进行了测试分析,结果验证了约束阻尼结构减振方法的可行性和有效性。

2 约束阻尼结构

约束阻尼结构是在自由阻尼结构的弹性层上增加约束层而构成,如图1所示。结构振动时,阻尼层随结构件振动,使粘弹性阻尼材料承受拉伸和压缩交变载荷,进而耗散结构的振动能量来实现减振。约束阻尼结构使用较薄的阻尼层就可获得较高的复合损耗因子,与自由阻尼结构相比,可以耗散更多的能量,减振效果好,适合于轻型减振结构[1]。粘弹性材料的力学性能与振动幅值、频率及其他环境参数和物理参数有关,一般来说是非线性的。但在应变幅值较小时,线性化模型也具有较高的精度[2]。

图1所示的约束阻尼结构,可以简化为一个Kelvin模型和一个弹簧串联的粘弹性结构模型[2],如

Journal of Mechanical Strength机械强度2002,24(1):049~051

王 聪,男,1966年9月生,内蒙古商都县人,汉族。哈尔滨工业大学航天学院讲师,博士研究生。主要研究方向是航天动力学、振动与控制。

曾发表 低轨道系绳卫星展开过程仿真分析 ( 高技术通讯 2000年第5期)等论文。

20000626收到初稿,20000821收到修改稿。

图1 约束阻尼结构模型Fig.1 Cons trained damping structure

图2 粘弹性模型

Fig.2 Viscoelas tici ty model

图2。考虑虎克定律和牛顿粘性定律 =E , = ,其应力应变关系的线性模型有如下形式

+p 1 =q 0 +q 1

(1)

其中p 1= 1 (E 1+E 2),q 0=E 1E 2 (E 1+E 2),q 1=E 2 1 (E 1+E 2), 为应力, 为应变,E 1、E 2为弹性模量, 为损耗因子,用以衡量材料的阻尼性能,

=

12 w w

(2)

其中 w 每周期阻尼力作功

w 每周期弹性变形能

3 仪器舱结构减振试验与分析

3.1 结构动态特性测试

仪器舱结构如图3所示,考虑仪器舱的载荷状态和动力学特性,在原仪器舱结构基础上增加约束及阻尼层,形成约束阻尼结构。由于粘弹层材料阻尼的作用,具有约束阻尼结构的仪器舱动力学行为较原结构复杂,理论计算建模目前难以精确。但系统低阶模态

参数能够通过模态试验的方法来获得。

图3 仪器舱结构及测点Fig.3 Cabin s tructure and test poi nts

针对仪器舱具体结构,约束阻尼铺设在平板结构上表面和锥壳结构下表面。粘弹性材料ZN -22,厚度为1.0mm,约束层厚度0.3mm,材料为LYCZ 。

动态测试分析系统由基于UNIX 的动态测试分析软件LMS C ADA X 和VXI 测试前端组成,该系统集测试分析功能于一体。除常规的测试和分析模块外,该系统还包括主模态测试、传递路径分析以及与有限元计算结果进行比较分析,并实现修正的工具模块LI NK 等。

试件支持方式采取自由 自由(预测试悬挂系统固有频率约为1Hz)。采用0~2048Hz 单点随机激励

源,四通道响应数据采集。激振点位于试件下边框

338测点,该点通过加强筋板与平板88测点连接(如图3)。分别进行附加约束阻尼前、后的模态试验,直接测试0~1200Hz,3次平均的FRF 和相干函数曲线,也可同是获得自谱或互谱曲线。进一步利用FRF 数

据完成时域多自由度模态分析,根据分析结果的稳定性选取频率值,并计算相应的模态振型,各阶振型可通过LMS 主模块中的动画显示及结果显示窗口输出。3.2 附加约束阻尼结构前后模态参数对比分析图4是仪器舱结构附加约束阻尼前后,部分特征点的FRF 曲线对比图。分别是前框上测点1、腹板上测点29、54,以及锥壳上测点272。图中虚线是未加约束阻尼时测点的FRF 曲线,实线为加约束阻尼后测点的FRF 曲线。

表1分别列出了仪器舱结构无约束阻尼和加约束阻尼时,前六阶试验模态的固有频率和阻尼比。相应的前三阶试验模态振型分别如图5所示。

Damped ---Undamped

图4 仪器舱结构附加约束阻尼前后部分特征点的频响曲线

Fig.4 Some of FRF curves of des igned poi nts of cabin structure

da mped and undamped

50机 械 强 度2002年