新型近等強(qiáng)度高阻尼航天載荷隔振器研究

張針粒，李世其，朱文革，胡線會，祁 宙，馬天陽，王 躍，，劉志敏

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074;2.北京空間機(jī)電研究所，北京 100076)

航天載荷在運(yùn)送至預(yù)定軌道的過程中，振動環(huán)境相當(dāng)惡劣，受到多種靜態(tài)和動態(tài)載荷。從頻譜的分布來看，振動載荷包含幾十赫茲，到幾千赫茲的低中高頻振動與沖擊。航天載荷故障約45%正是由發(fā)射過程中的振動造成的［1］。采用減振技術(shù)，改善航天載荷的振動環(huán)境，可降低設(shè)計難度與風(fēng)險、減少成本。

航天載荷隔振一般通過兩種途徑實(shí)現(xiàn):

(1)替換原適配器為具有隔振性能的適配器［4］。這種方法不需要改變原有接口，但設(shè)計范圍限制在阻尼材料的貼附形式。

(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(fā)射階段隔振的實(shí)際應(yīng)用案例［5］;被動隔振器結(jié)構(gòu)形式簡單可靠，開發(fā)周期短，成本低。國內(nèi)外已有很多研究與成功應(yīng)用的報道［5－6］。國外被動隔振器的典型代表如美國CSA公司SoftRide UniFlex/MultiFlex［6］整星隔振器，已多次在實(shí)際發(fā)射中使用，取得了顯著的隔振、緩沖效果。國內(nèi)的如由張軍等［7］設(shè)計的整星隔振器，通過有限元分析與振動試驗(yàn)表明，該隔振器可有效地隔離衛(wèi)星在寬頻帶上橫向和縱向振動。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)以上提到的典型整星隔振器主要有以下不足:

(1)隔振器支架水平部分的等厚度設(shè)計存在應(yīng)力分布不均現(xiàn)象，安全系數(shù)有明顯提高空間，由于發(fā)射振動環(huán)境帶有隨機(jī)性，這種提高對航天發(fā)射的高可靠性要求顯得尤為必要。

(2)隔振器阻尼耗能較小。以張軍等［7］設(shè)計的整星隔振器為例，其阻尼比約為0.05。美國CSA公司［8］SoftRide MultiFlex整星隔振器結(jié)構(gòu)與張軍等設(shè)計的整星隔振器結(jié)構(gòu)相當(dāng)接近，因此阻尼比應(yīng)比較接近。由于發(fā)射振動環(huán)境的幅值高、頻率范圍寬，當(dāng)激起共振時阻尼比小的隔振器不能有效地抑制共振峰，即使沒有發(fā)生失效，其安全裕度也較小。同時，適當(dāng)提高阻尼比也有利于沖擊衰減［9］。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(fā)射環(huán)境對隔振器的設(shè)計要求，所設(shè)計新型隔振器特點(diǎn)。然后針對隔振器的支架設(shè)計，引入了等強(qiáng)度理論，設(shè)計了變厚度隔振器支架，對比分析了改進(jìn)前后支架應(yīng)力狀態(tài)。針對隔振器阻尼材料的設(shè)計，應(yīng)用阻尼材料能量耗散理論及Rongong修正模態(tài)應(yīng)變能方法，設(shè)計了新穎的梳狀剪切型阻尼結(jié)構(gòu)，仿真分析了所達(dá)到的阻尼效果。最后，通過由30個隔振器組成的隔振系統(tǒng)的正弦掃頻與隨機(jī)振動試驗(yàn)驗(yàn)證了隔振器性能。

1 新型近等強(qiáng)度高阻尼隔振器簡介

根據(jù)航天領(lǐng)域應(yīng)用的特殊性與發(fā)射階段振動環(huán)境的特點(diǎn)，分析航天載荷隔振器設(shè)計需求，可歸納為:

(1)發(fā)射階段振動力學(xué)環(huán)境存在不確定性，為此，隔振器應(yīng)具有高安全系數(shù)，航天機(jī)械結(jié)構(gòu)一般要求安全系數(shù)4以上，愈高愈好;

(2)發(fā)射階段振動力學(xué)環(huán)境所含頻率范圍寬廣，尤其在低頻段模態(tài)分布密集，容易激起共振，隔振器應(yīng)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(yīng)均方值，以達(dá)到良好的衰減振動的作用;

(4)發(fā)動機(jī)點(diǎn)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(yīng)設(shè)計沖擊保護(hù)機(jī)制。

考慮到以上航天載荷隔振器設(shè)計要求，所設(shè)計的新型隔振器(發(fā)明專利號:101392808)見圖1、圖2。隔振器支架由鈦合金TC4經(jīng)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(jié)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(diǎn):

(1)隔振器金屬支架基于等強(qiáng)度理論的變厚度設(shè)計(詳見第二節(jié))，安全系數(shù)明顯提高;

(2)新穎的梳狀剪切型阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計，隔振器等效阻尼比大幅提高;

(3)硬彈簧特性沖擊保護(hù)設(shè)計。當(dāng)隔振器受沖擊壓縮變形超過5 mm時，沖擊保護(hù)槽開始發(fā)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(fā)揮了沖擊保護(hù)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(chǎn)生潛在裂紋甚至破壞);

(4)無縫硫化設(shè)計。約束阻尼型隔振器或類似結(jié)構(gòu)存在一個工藝方面需要解決的難點(diǎn)，即確保在反復(fù)的振動循環(huán)中，阻尼材料與金屬支架保持牢固粘結(jié)。所設(shè)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(jīng)此改進(jìn)后的試驗(yàn)再沒觀察到阻尼材料剝離現(xiàn)象。

圖1 新型航天載荷隔振器剖視圖Fig.1 Sectional view of new spacecraft payload isolator

圖2 新型航天載荷隔振器實(shí)物圖Fig.2 Photo of new spacecraft payload isolator

2 隔振器支架近等強(qiáng)度優(yōu)化

前文提到的典型整星隔振器支架結(jié)構(gòu)，都非常相似，由鈦合金材料制作成矩形空心隔振器支架，支架上下水平部分貼敷約束阻尼層，鈦合金支架水平部分的彎曲變形帶動阻尼層變形，形成阻尼作用。依此建立的隔振器支架組合梁簡化模型如圖3所示。

圖3 隔振器支架組合梁模型Fig.3 Composite beam model of isolator’s bracket

注意到梁模型的對稱性，可以只研究其四分之一模型，如圖4所示。

圖4 隔振器支架組合梁四分之一模型Fig.4 Composite beam model of isolator’s quarter bracket

等強(qiáng)度設(shè)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(guān)，還與整個隔振系統(tǒng)的布局形式有關(guān)，通常是先根據(jù)縱向載荷設(shè)計隔振器參數(shù)，再整體驗(yàn)證隔振系統(tǒng)橫向特性(見隔振系統(tǒng)試驗(yàn))。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(yīng)力，剪應(yīng)力遠(yuǎn)小于正應(yīng)力，可先依據(jù)正應(yīng)力要求設(shè)計隔振器支架，然后校驗(yàn)剪應(yīng)力強(qiáng)度要求。理想的隔振器支架等強(qiáng)度設(shè)計應(yīng)使支架截面上最大彎曲正應(yīng)力滿足:

式中，σmax為截面最大彎曲正應(yīng)力;M(x)為彎矩方程;Wz(x)為矩形抗彎截面系數(shù);［σ］為材料許用正應(yīng)力;α為安全系數(shù)。

由材料力學(xué)知，在小變形假設(shè)及忽略軸力的情況下梁的擾度微分方程為［10］:

式中，y(x)為擾度方程;E為材料彈性模量;I(x)為梁截面慣性矩。

固有頻率是隔振器設(shè)計恰當(dāng)與否的關(guān)鍵，過低固有頻率將導(dǎo)致相行程增大，可能造成干涉，同時火箭要求載荷的固有頻率不能低于某一下限;過高固有頻率不能取得期望的隔振效果。分析圖4所示模型，可依固有頻率公式［11］推得:

式中，fy為縱向固有頻率;K為隔振器縱向剛度;M為單個隔振器額定載荷質(zhì)量;F為某一施加在C點(diǎn)的載荷;yc為由載荷F引起的C點(diǎn)縱向位移。

聯(lián)立式(1)～式(3)即可解得等強(qiáng)度厚度方程h(x)關(guān)于設(shè)計參數(shù) L1，R，L2，b，α，［σ］，f，M 的方程。為防止截面厚度為零的情況出現(xiàn)，有必要進(jìn)一步依式(4)校核最大剪應(yīng)力強(qiáng)度條件，對h(x)進(jìn)行修正。

式中，τmax(x)為x處最大剪應(yīng)力;Q(x)為 x處剪力;［τ］為材料許用剪應(yīng)力。

為驗(yàn)證所提的隔振器支架等強(qiáng)度設(shè)計方法及達(dá)到的效果，設(shè)計了非等強(qiáng)度與等強(qiáng)度隔振器支架結(jié)構(gòu)。為具有對比性，已使隔振器支架的性能參數(shù)保持一致(見表1)。非等強(qiáng)度與等強(qiáng)度隔振器支架示例結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5、圖6。

圖5 非等強(qiáng)度隔振器支架示例結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 FEM model of traditional isolator’s bracket

圖6 等強(qiáng)度隔振器支架示例結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.6 FEM model of equal strength isolator’s bracket

表1 兩種隔振器支架的參數(shù)Tab.1 Parameters of two isolators’brackets

非等強(qiáng)度與等強(qiáng)度隔振器支架截面最大應(yīng)力在圖4所示曲線坐標(biāo)系下的分布如圖7、圖8所示，從中可以得出以下結(jié)論:

(1)傳統(tǒng)非等強(qiáng)度隔振器支架應(yīng)力不均，材料強(qiáng)度沒有充分揮發(fā)作用;

(2)應(yīng)用等強(qiáng)度設(shè)計方法的預(yù)測結(jié)果與有限元分析的結(jié)果比較一致，有限元分析的等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)在h(x)=0附近應(yīng)力有一個下凹的尖峰，這是因?yàn)閷?shí)際等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)在h(x)=0附近做了圓整處理;

(3)應(yīng)用等強(qiáng)度設(shè)計方法后，除h(x)=0附近外基本實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力均勻分布;

(4)有限元分析表明，等強(qiáng)度設(shè)計方法的應(yīng)用使隔振器支架應(yīng)力峰值降低了28.9%，即安全系數(shù)在原有基礎(chǔ)上提高了0.4倍。

圖7 非等與等強(qiáng)度隔振器截面應(yīng)力對比(力學(xué)模型預(yù)測)Fig.7 Sectional stress of two isolators’brackets(by mathematic model)

圖8 非等與等強(qiáng)度隔振器截面應(yīng)力對比(有限元分析)Fig.8 Sectional stress of two isolators’brackets(by FEA)

圖9 隔振器等效阻尼比與結(jié)構(gòu)損耗因子關(guān)系曲線Fig.9 Equivalent damping ratio vs loss factor of isolator

3 隔振器高阻尼比優(yōu)化

在設(shè)計具有高阻尼的隔振器時，應(yīng)用阻尼比約為損耗因子一半的近似關(guān)系的會導(dǎo)致誤差過大，所以采取式(5)計算等效阻尼比［12］:

式中，Q為品質(zhì)因子;ξ為隔振器等效阻尼比;η為隔振器損耗因子。

由式(5)可得隔振器等效阻尼比關(guān)于結(jié)構(gòu)損耗因子的關(guān)系曲線如圖9，為單調(diào)遞增關(guān)系，但遞增速率逐漸減緩。

從圖9可以看出，隔振器等效阻尼比的提高需增大結(jié)構(gòu)損耗因子。損耗因子可用模態(tài)應(yīng)變能方法方便地計算獲得，當(dāng)損耗因子較大時，傳統(tǒng)的模態(tài)應(yīng)變能方法方誤差增大。Torvik等［13］通過對比研究發(fā)現(xiàn)，Rongong的修正方法是同類修正方法中最精確的，損耗因子計算式為［14］:

由式(6)可知，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(yīng)變能比例。前者由阻尼材料參數(shù)決定，后者由選材及隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，所設(shè)計的新型隔振器在這兩方面均做了改進(jìn)。

首先，在阻尼材料設(shè)計方面，自行配制并優(yōu)選了以丁基為主的高阻尼材料，其50 Hz下動態(tài)機(jī)械分析(DMA)掃溫曲線見圖10，在6℃ ～60℃范圍內(nèi)損耗因子高于0.5，30.5℃下達(dá)到峰值 0.87，與隔振器工作溫度范圍20℃ ～40℃相當(dāng)吻合，使阻尼材料耗能特性得

到充分利用。

圖10 阻尼材料50Hz下DMA測試曲線Fig.10 DMA test of damping material under excitation with 50 Hz

然后，在隔振器阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，由簡諧激勵下阻尼材料每周期耗能公式(7)知，阻尼耗能效果除了與材料參數(shù)Gl(ω)有關(guān)外，還與阻尼材料的剪應(yīng)變幅值及產(chǎn)生應(yīng)變的材料體積有關(guān)。

式中，E是每周期阻尼材料損耗能量;Δ是單位體積每周期損耗能量;V是阻尼材料體積;γ是剪應(yīng)變幅值;Gl(ω)是阻尼材料在頻率 ω下的損耗模量，是材料參數(shù)。

根據(jù)式(7)，在隔振器近等強(qiáng)度支架上，設(shè)計了梳狀剪切齒(見圖1)，該結(jié)構(gòu)可使縱向振動轉(zhuǎn)化為阻尼材料以剪應(yīng)變?yōu)橹鞯淖冃?。同時，與約束薄層阻尼結(jié)構(gòu)相比，大幅增加了阻尼材料用量。

圖11 隔振器有限元模型剖視圖Fig.11 Profile view of isolator’s FEM

為驗(yàn)證以上在阻尼材料和結(jié)構(gòu)形式方面的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的效果，對隔振器進(jìn)行仿真分析，有限元模型如圖11、圖12所示，其中隔振系統(tǒng)由30個均勻圓周布局的隔振器與有效載荷組成。應(yīng)用Rongong修正的模態(tài)應(yīng)變能方法計算的相關(guān)參數(shù)與結(jié)果見表2。從表2中可以看出，隔振器在阻尼材料與阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的改進(jìn)發(fā)揮了顯著作用，等效阻尼比達(dá)到 0.294，可有效抑制共振。同時，所設(shè)計的隔振器等效阻尼比值正好具有最佳的衰減沖擊的效果［9，15］。

圖12 隔振系統(tǒng)有限元模型Fig.12 FEM of vibration isolation system

表2 隔振系統(tǒng)仿真分析參數(shù)及結(jié)果Tab.2 Performance parameters of isolator by simulation

4 隔振系統(tǒng)試驗(yàn)

根據(jù)航天載荷質(zhì)量及隔振器額定載荷，隔振系統(tǒng)由30個隔振器組成，均勻圓周布局。為進(jìn)行隔振系統(tǒng)試驗(yàn)，設(shè)計了在質(zhì)量、重心、尺寸、慣性矩方面相似的試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬲鎸?shí)載荷。隔振器上部接試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆ㄌm，下部接工裝底座，工裝底座固聯(lián)于振動臺上。試驗(yàn)設(shè)備為702所30 t推力振動試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)組成見圖13，傳感器測點(diǎn)布局見圖14，x與y軸均為橫向，z軸為縱向。傳感器共設(shè)計7個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)安裝三個方向的加速度傳感器。總共21個測量通道除了檢測隔振器的直接輸入輸出外，還有考察測量一致性，檢測遠(yuǎn)離質(zhì)心振動的作用。正弦振動與隨機(jī)振動試驗(yàn)條件見表3。

表3 隔振系統(tǒng)正弦與隨機(jī)振動試驗(yàn)條件Tab.3 Sinusoidal and random experimental conditions for vibration isolation system

簡明起見，下文正弦與隨機(jī)試驗(yàn)結(jié)果均指4號測點(diǎn)的響應(yīng)，代表隔振器最直接的性能。隔振系統(tǒng)正弦振動與隨機(jī)振動試驗(yàn)結(jié)果見圖15～圖18。隔振系統(tǒng)性能參數(shù)見表4，可見，隔振系統(tǒng)具有相當(dāng)高的等效阻尼比，實(shí)現(xiàn)了中低頻有效抑制共振，寬頻范圍內(nèi)有效衰減加速度RMS值的目標(biāo)。同時，從表4中還可以看出，縱向試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果相當(dāng)接近，誤差約在10%以內(nèi)。

圖13 試驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.13 Experiment configuration of vibration isolation system

圖14 傳感器測點(diǎn)布局Fig.14 Sensors layout for vibration isolation system

圖15 橫向正弦掃頻試驗(yàn)曲線Fig.15 Sinusoidal response of horizontal experiment

圖16 縱向正弦掃頻試驗(yàn)曲線Fig.16 Sinusoidal response of vertical experiment

表4 隔振系統(tǒng)試驗(yàn)性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of vibration isolation system

圖17 橫向隨機(jī)振動試驗(yàn)曲線Fig.17 Random response of horizontal experiment

圖18 縱向隨機(jī)振動試驗(yàn)曲線Fig.18 Random response of vertical experiment

表中，R為加速度RMS輸出與輸入的比率;其余符號含義同表2。

5 結(jié)論

(1)針對某航天載荷，設(shè)計出一種新型的具有近等強(qiáng)度、高阻尼、兼顧沖擊保護(hù)、阻尼材料粘結(jié)牢固等特點(diǎn)的航天載荷隔振器;

(2)在隔振器支架的設(shè)計中，由引入了等強(qiáng)度理論，設(shè)計了變厚度隔振器支架，對比分析表明，在基本不改變質(zhì)量，體積，剛度的前提下安全系數(shù)提高了0.4倍;

(3)在隔振器阻尼材料的設(shè)計中，應(yīng)用阻尼材料能量耗散理論及Rongong修正模態(tài)應(yīng)變能方法設(shè)計了新穎的梳狀剪切型阻尼結(jié)構(gòu)，使隔振器具有高等效阻尼比;

(4)所設(shè)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(tǒng)的正弦掃頻與隨機(jī)振動試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)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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