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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定軌道的過程中，振動環境相當惡劣，受到多種靜態和動態載荷。采用減振技術，改善航天載荷的振動環境，可降低設計難度與風險、減少成本。
航天載荷隔振一般通過兩種途徑實現：
（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，未見針對發射階段隔振的實際應用案例；被動隔振器結構形 式簡單可靠，開發周期短，成本低。國內外已有很多研究與成功應用的報道。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，已多次在實際發射中使用，取得了顯著的隔振、緩沖效果。國內的如由張軍等設計的整星隔振器，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星在寬頻帶上橫向和縱向振動。
經研究發現，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計存在應力分布不均現象，安全系數有明顯提高空間，由于發射振動環境帶有隨機性，這種提高對航天發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。所以在發射振動環境的幅值高、頻率范圍寬的情況下，當激起共振時不能有效地抑制共振峰，即使沒有發生失效，其安全裕度也較小。同 時，適當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射環境對隔振器的設計要求，所設計新型隔振器特點。然后針對隔振器的支架設計，引入了等強度理論，設計了變厚度隔振器支架，對比分析了改進前后支架應力狀態。針對隔振器阻尼材料的設計，應用阻尼材料能量耗散理論Rongong修正模態應變能方法，設計了新穎的梳狀剪切型阻尼結構，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
根據航天領域應用的特殊性與發射階段振動環境的特點，分析航天載荷隔振器設計需求，可歸納為：
（1）發射階段振動力學環境存在不確定性，為此，隔振器應具有高安全系數，航天機械結構一般要求安全系數４以上，愈高愈好；
（2）發射階段振動力學環境所含頻率范圍寬廣，尤其在低頻段模態分布密集，容易激起共振，隔振器應具有較高阻尼，以抑制共振；
（3）在中高頻段，有效降低加速度響應均方值，以達到良好的衰減振動的作用；
（4）發動機點火、級間分離等事件伴隨有沖擊載荷，考慮到高可靠性要求，隔振器應設計沖擊保護機制。考慮到以上航天載荷隔振器設計要求，所設計的新型隔振器。隔振器支架由鈦合金TC4經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計，安全系數明顯提高；
（2）新穎的梳狀剪切型阻尼結構設計，隔振器等效阻尼比大幅提高；
(3) 硬彈簧特性沖擊保護設計。當隔振器受沖擊壓縮變形超過5mm時，沖擊保護槽開始發揮作用，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生潛在裂紋甚至破壞；
(4)無縫硫化設計。約束阻尼型隔振器或類似結構存在一個工藝方面需要解決的難點，即確保在反復的振動循環中，阻尼材料與金屬支架保持牢固粘結。所設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。經此改進后的試驗再沒觀察到阻尼材料剝
離現象。
等強度設計先針對隔振器的縱向（y向）載荷。橫向（x或z向）載荷對隔振器的作用不僅與單個隔振器有關，還與整個隔振系統的布局形式有關，通常是先根據縱向載荷設計隔振器參數，再整體驗證隔振系統橫向特性（見隔振系統試驗）。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力，剪應力遠小于正應力，可先依據正應力要求設計隔振器支架，然后校驗剪應力強度要求。
非等強度與等強度隔振器支架截面最大應力的區別，可以得出以下結論：
(1)傳統非等強度隔振器支架應力不均，材料強度沒有充分揮發作用；
(2)應用等強度設計方法的預測結果與有限元分析的結果比較一致，
(3)應用等強度設計方法后，基本實現了應力均勻分布；
(4)有限元分析表明，等強度設計方法的應用使隔振器支架應力峰值降低了28.9%，即安全系數在原有基礎上提高了0.4倍。
在設計具有高阻尼的隔振器時，應用阻尼比約為損耗因子一半的近似關系的會導致誤差過大，因此損耗因子可用模態應變能方法方便地計算獲得，當損耗因子較大時，傳統的模態應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變能比例。前者由阻尼材料參數決定，后者由選材及隔振器結構設計決定，所設計的新型隔振器在這兩方面均做了改進。首先，在阻尼材料設計方面，自行配制并優選了以丁基為主的高阻尼材料，其50Hz下動態機械分析，在6℃～60℃范圍內損耗因子高于0.5，30.5℃下達到峰值0.87，與隔振器工作溫度范圍20℃ ～40℃相當吻合，使阻尼材料耗能特性得到充分利用。
然后，在隔振器阻尼結構設計方面，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有關外，還與阻尼材料的剪應變幅值及產生應變的材料體積有關。
結 論
(1)針對某航天載荷，設計出一種新型的具有近等強度、高阻尼、兼顧沖擊保護、阻尼材料粘結牢固等特點的航天載荷隔振器；
(2)在隔振器支架的設計中，由引入了等強度理論，設計了變厚度隔振器支架，對比分析表明，在基本不改變質量，體積，剛度的前提下安全系數提高了0.4倍；
(3)在隔振器阻尼材料的設計中，應用阻尼材料能量耗散理論及Rongong修正模態應變能方法設計了新穎的梳狀剪切型阻尼結構，使隔振器具有高等效阻尼比；
(4)所設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)。
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