一種包帶抱緊結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的試驗(yàn)研究

楊新峰 楊慧 張旭

（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

（2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

包帶一般用于抱緊設(shè)備或結(jié)構(gòu)，它是具有一定寬度的、薄而長的金屬帶（多為鈦合金），包帶的兩端安裝有連接螺栓，可通過螺栓擰緊力矩對包帶施加預(yù)緊力。包帶在航天上最常見的應(yīng)用是星箭連接解鎖包帶[1]，星箭連接解鎖包帶上安裝有V 型槽塊，對包帶施加預(yù)緊力則可以壓緊卡在V 型槽內(nèi)的星箭連接法蘭，使衛(wèi)星固定在火箭上。近年對星箭連接解鎖包帶進(jìn)行了靜力承載、動態(tài)包絡(luò)、連接剛度、分離沖擊等諸多研究[2-5]，取得了有效的成果，其應(yīng)用也較成熟。

目前，包帶也開始應(yīng)用在衛(wèi)星壓力容器的安裝上。衛(wèi)星壓力容器，如高壓氣瓶，在充壓后會產(chǎn)生膨脹，而隨著在軌期間氣體的消耗，使壓力容器內(nèi)部壓力降低、容器轉(zhuǎn)而從膨脹狀態(tài)變?yōu)槭湛s狀態(tài)。針對這種較大變形的變化特性，高壓氣瓶在衛(wèi)星上不能完全固定安裝，而可采用包帶抱緊安裝方式，即用包帶把氣瓶抱緊到支架上，而支架用螺栓固定在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上。在包帶抱緊的安裝方式中，包帶具有較大的彈性和強(qiáng)度，可以允許高壓容器的變形，而包帶與容器之間還墊有毛氈避免剛性接觸。包帶抱緊方式涉及到復(fù)雜的摩擦力和阻尼層，其力學(xué)特性隨螺栓擰緊力矩不同而變化，不同形式的振動對阻尼的響應(yīng)也不同，但這種特性變化規(guī)律目前還沒有進(jìn)行過深入的研究，對其力學(xué)特性還沒有全面掌握。為深入了解其動力特性，將對衛(wèi)星上這種包帶抱緊結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 包帶抱緊結(jié)構(gòu)介紹

以某衛(wèi)星為例，氣瓶的包帶安裝抱緊結(jié)構(gòu)由三部分組成：氣瓶支撐底座、包帶、鎖緊螺栓螺母。

氣瓶支撐底座為鑄鋁件（圖1），側(cè)壁厚2～3mm，安裝底面厚5mm，使用17個(gè)M5螺釘安裝固定。支撐底座的上部支撐環(huán)為氣瓶的主要接觸支撐面。為提高扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)增加支撐底座上框的抗彎性能，在4個(gè)球冠支撐處設(shè)有加強(qiáng)肋板。氣瓶支撐座的尺寸只會影響組合體的剛度，而不影響包帶與氣瓶的連接剛度，也不會對包帶連接動特性的變化規(guī)律產(chǎn)生影響。

氣瓶包帶外形見圖2。安裝時(shí)，包帶穿過連接底座在氣瓶上半球處用螺栓螺母鎖緊。為了降低氣瓶與包帶之間的接觸應(yīng)力，整條包帶長度應(yīng)足以包覆氣瓶。

高壓氣瓶一般為球形，與包帶抱緊結(jié)構(gòu)組裝后形成氣瓶包帶抱緊結(jié)構(gòu)組件。組裝時(shí)，在氣瓶與包帶、支座的接觸面之間貼有毛氈，以減少應(yīng)力集中和劃痕。氣瓶利用包帶抱緊結(jié)構(gòu)的安裝示意圖如圖3所示。

圖1 支撐底座Fig.1 Support frame

圖2 包帶Fig.2 Belt

圖3 氣瓶包帶安裝方式Fig.3 Belt-clasp installation

3 結(jié)構(gòu)頻率特性

施加一定的螺栓擰緊力矩，以保證整體結(jié)構(gòu)的剛度。毛氈材料特性為非線性，在壓力下毛氈可以壓縮變形，但變形為非線性。毛氈的材料非線性將影響結(jié)構(gòu)振動動態(tài)特性。初始壓力時(shí)，毛氈變形較大，對應(yīng)的材料彈性模量較小，隨著壓力的增大，變形越來越小，對應(yīng)的材料彈性模量較大。因此，逐步施加擰緊力矩后，毛氈將具有較高的彈性模量，整體結(jié)構(gòu)的剛度可以提高。

為研究結(jié)構(gòu)剛度即結(jié)構(gòu)頻率的變化規(guī)律，對結(jié)構(gòu)施加不同的擰緊力矩，使用0.5gn的正弦振動測量分別得到了整體結(jié)構(gòu)的基頻數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)基頻隨擰緊力矩的變化規(guī)律見圖4。

圖4 抱緊結(jié)構(gòu)的基頻隨擰緊力矩的變化曲線Fig.4 Variation of the fundamental frequency with the preload torque

從圖4可以看到，在1Nm 擰緊力矩下，抱緊結(jié)構(gòu)的基頻為26.1Hz，頻率較低。隨著擰緊力矩的增大，結(jié)構(gòu)基頻逐漸增高。在2Nm 至6Nm 的過程中，抱緊結(jié)構(gòu)基頻增加較快，平均每1Nm 增加7.8Hz。在6Nm 的擰緊力矩下，抱緊結(jié)構(gòu)基頻達(dá)到59.5Hz。6Nm 以后，隨著擰緊力矩增大，雖然結(jié)構(gòu)基頻仍然上升，但增幅不大，大約2.3Hz/Nm。可以初步認(rèn)為，6Nm 的擰緊力矩下結(jié)構(gòu)動特性趨于穩(wěn)定。

在6Nm 擰緊力矩下，結(jié)構(gòu)達(dá)到的剛度已經(jīng)滿足衛(wèi)星使用要求，此外，此結(jié)構(gòu)還需經(jīng)受衛(wèi)星上設(shè)備安裝處的動態(tài)載荷環(huán)境。依據(jù)星上使用狀態(tài)下的測量數(shù)據(jù)，其動態(tài)環(huán)境載荷按2gn計(jì)算。按0.5gn、2gn、0.5gn的振動量級，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行正弦振動測量，其振動響應(yīng)曲線見圖5。如圖5所示，兩次0.5gn振動曲線基本重合，說明在6Nm 擰緊力矩狀態(tài)下抱緊結(jié)構(gòu)具有所需要的承載能力，而且動態(tài)環(huán)境載荷作用后結(jié)構(gòu)頻率穩(wěn)定。

圖5 6Nm擰緊力矩下頂部測點(diǎn)的振動響應(yīng)曲線（對數(shù)坐標(biāo)）Fig.5 Vibration response on the top of the structure with the preload torque of 6Nm

4 振動量級對頻率的影響

在這種結(jié)構(gòu)中，安裝支架到氣瓶的作用力都通過毛氈傳遞。由于材料特性的非線特性以及界面的摩擦作用，在不同的受力大小情況下，其作用力與變形的關(guān)系會變化，因此，振動量級也會影響其力學(xué)特性。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為衛(wèi)星在振動試驗(yàn)中頻率漂移變化就是由衛(wèi)星蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的非線性引起。文獻(xiàn)[7]進(jìn)一步驗(yàn)證了衛(wèi)星蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的非線性對頻率漂移的影響。文獻(xiàn)[8]報(bào)導(dǎo)了振動量級引起的頻率下降，主要?dú)w因于蜂窩與膠層的非線性以及結(jié)構(gòu)連接的非線性。

為了研究振動量級的對抱緊結(jié)構(gòu)頻率的影響，對其進(jìn)行0.5gn、2gn、8gn的橫向正弦振動測量。為了模擬實(shí)際氣瓶的充壓狀態(tài)，經(jīng)過初步的振動數(shù)據(jù)與前期的靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算，確定振動環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，氣瓶充壓10MPa壓力，而擰緊力矩減少至3Nm，試驗(yàn)中進(jìn)行振動加速度的測量。

不同輸入量級的正弦振動的響應(yīng)如圖6所示。從圖6可看出，隨振動量級的增加，最大響應(yīng)相應(yīng)的振動頻率從99.4Hz降到81.8Hz再降到56.5Hz，固有頻率隨著激振力的不同而產(chǎn)生了變化，這說明從支架通過毛氈到氣瓶的作用力傳遞具有強(qiáng)烈的非線性。這其中既有毛氈的非線性變形的作用，經(jīng)觀測分析也有接觸面摩擦力的作用。在0.5gn、2gn、8gn不同振動量級的正弦振動激勵(lì)下，氣瓶頂部的最大響應(yīng)分別為3.5gn、11.2gn、32.6gn，相對于輸入，氣瓶頂部測點(diǎn)的響應(yīng)放大分別為7倍、5.6倍、4.1倍。在高量級的振動下，其響應(yīng)放大倍數(shù)比較顯著地低于低量級振動的響應(yīng)，表明毛氈及其接觸摩擦在不同振動量級下發(fā)揮的作用不同。

圖6 不同輸入量級（0.5gn、2gn、8gn）正弦振動結(jié)構(gòu)頂部的響應(yīng)曲線（對數(shù)坐標(biāo)）Fig.6 Responses on the top of structure under different vibration levels（0.5gn、2gn、8gn）

5 振動響應(yīng)的傳遞特性

按驗(yàn)收級量級進(jìn)一步對抱緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行正弦振動和隨機(jī)振動的激勵(lì)和測量，振動條件見表1，分別測量支架與氣瓶上的響應(yīng)，以此來分析毛氈對振動傳遞的影響。

表1 振動試驗(yàn)條件Table1 Vibration conditions

5.1 正弦振動

驗(yàn)收級正弦振動的最大加速度響應(yīng)見表2，從表2中看到橫向正弦振動時(shí)，支架支撐環(huán)上最大振動加速度為34.2gn，略大于氣瓶頂部的加速度響應(yīng)，是氣瓶頂部響應(yīng)32.6gn的1.05倍。縱向振動時(shí)，支架上與氣瓶頂部的響應(yīng)也十分接近。假如氣瓶與支架之間為直接剛性連接，而不是通過毛氈的連接，依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從支架支撐環(huán)到氣瓶頂部會有顯著的響應(yīng)放大。而上述數(shù)據(jù)表明從支架到氣瓶響應(yīng)并沒有相應(yīng)放大，顯示這種狀態(tài)下毛氈起到減振作用，按簡化的一維振動模型推算，毛氈產(chǎn)生的阻尼系數(shù)應(yīng)大于0.5。

表2 正弦振動加速度最大響應(yīng)Table2 Maximum acceleration responses to sine vibrations

還可以看到，橫向振動時(shí)從支架根部到支撐環(huán)有較大的響應(yīng)放大（支撐環(huán)上的響應(yīng)約為支架根部響應(yīng)的4.3倍），而縱向振動時(shí)支架根部到支撐環(huán)的響應(yīng)基本不變。這主要是因?yàn)樵谡覓呙枵駝宇l率范圍0～100Hz內(nèi)，存在一個(gè)橫向基本頻率而產(chǎn)生響應(yīng)放大，而縱向基本頻率在此范圍之外。

5.2 隨機(jī)振動

驗(yàn)收級隨機(jī)振動加速度的最大響應(yīng)見表3，從表3中看到橫向隨機(jī)振動時(shí)，支架支撐環(huán)上最大振動總均方根加速度為43.5gn，氣瓶頂部的總均方根為2.5gn，支架支撐環(huán)上的響應(yīng)約是氣瓶頂部的響應(yīng)的17.4倍。這說明通過毛氈后，振動從支架支撐環(huán)上的43.5gn減低至頂部的2.5gn，減振約94%，減振作用相當(dāng)明顯。即使相對于根部輸入的振動量級9.3gn，從支架根部輸入到氣瓶頂部的減振也達(dá)到約73%。

表3 隨機(jī)振動加速度最大響應(yīng)Table3 Maximum acceleration responses to random vibrations

對于縱向振動，支架支撐環(huán)上的最大總均方根值為68.2gn，氣瓶頂部的總均方根值為8.8gn，支架支撐環(huán)上的響應(yīng)約是氣瓶頂部的響應(yīng)的7.8倍。從支架支撐環(huán)至氣瓶頂部減振約87%，減振顯著。支架根部振動輸入為17.86gn，從支架根部至氣瓶頂部減振約51%。

5.3 減振分析

通過上述試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看到：抱緊結(jié)構(gòu)中，正弦振動響應(yīng)在毛氈兩邊幾乎保持一致，抑制了一般結(jié)構(gòu)中的響應(yīng)放大現(xiàn)象。隨機(jī)振動時(shí)，抱緊結(jié)構(gòu)支撐環(huán)上加速度響應(yīng)最大，氣瓶頂部則響應(yīng)最小，支撐環(huán)的振動通過毛氈到達(dá)氣瓶頂部后衰減很多；不論縱向或橫向振動，毛氈兩邊的隨機(jī)振動響應(yīng)的衰減都在87%以上，而根部輸入至氣瓶頂部隨機(jī)振動衰減都在50%以上，其中橫向振動有著更優(yōu)的表現(xiàn)。這充分說明抱緊結(jié)構(gòu)具有顯著的特殊阻尼減振作用。在目前衛(wèi)星及部件的減振相關(guān)研究中還沒有見包帶抱緊減振作用的報(bào)道[9]，聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)中振動傳遞損失在文獻(xiàn)[10]中進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為可以得到15～30dB的振動減離。

還可以看到本結(jié)構(gòu)中的毛氈對不同振動種類的影響是不同的。對隨機(jī)振動，它有著十分顯著的減振作用。其主要原因是因?yàn)殡S機(jī)振動頻譜范圍都比較寬廣，能量比較分散，各頻率的振動相位都不同，振動力在毛氈層中有相當(dāng)?shù)牡窒饔?。對于正弦振動，每一時(shí)刻振動力都集中在某一頻率，因此，不會像隨機(jī)振動那樣有顯著的減振作用，但相比于一般結(jié)構(gòu)件毛氈也達(dá)到了不擴(kuò)大正弦振動響應(yīng)的效果。

抱緊結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出的減振作用具有重要意義，對于以隨機(jī)振動為主振動環(huán)境，都可以充分借鑒抱緊結(jié)構(gòu)的減振方式，而且這種方式簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠。

6 結(jié)論

抱緊結(jié)構(gòu)的連接毛氈材料非線性對結(jié)構(gòu)頻率影響較大，隨擰緊力矩增大，毛氈壓縮剛度增加而引起基頻升高。6Nm 擰緊力矩以后，毛氈壓縮剛度趨于穩(wěn)定值，從而組件結(jié)構(gòu)頻率變化不大，結(jié)構(gòu)動特性基本穩(wěn)定。另外，振動量級也對結(jié)構(gòu)固有頻率產(chǎn)生影響，大的振動量級下，界面會克服摩擦產(chǎn)生較大的位移，導(dǎo)致抱緊結(jié)構(gòu)固有頻率的降低。

毛氈在抱緊結(jié)構(gòu)中顯著影響結(jié)構(gòu)中振動傳遞特性。正弦振動時(shí)，毛氈兩邊的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)幾乎保持一致，沒有響應(yīng)放大現(xiàn)象。隨機(jī)振動時(shí)，毛氈兩邊的隨機(jī)振動響應(yīng)的衰減都在87%以上，而從根部輸入至結(jié)構(gòu)頂部的隨機(jī)振動衰減都在50%以上，其中橫向振動的衰減優(yōu)于縱向振動。抱緊結(jié)構(gòu)這種減振形式可以借鑒應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)的減振中。

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