一種新型復合材料黏彈阻尼桿設計

張少輝 陳海峰 張曉莉 柴洪友

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，空間智能機器人系統(tǒng)技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094)

一種新型復合材料黏彈阻尼桿設計

張少輝1,2陳海峰1張曉莉1柴洪友1,2

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，空間智能機器人系統(tǒng)技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094)

針對復合材料桿阻尼偏小的問題，文章提出了一種新型復合材料黏彈阻尼桿設計，通過將約束層分段來增大黏彈阻尼層的剪切變形，在保證較高軸向剛度的同時，大幅度提升了桿的軸向阻尼。完成了復合材料黏彈阻尼桿的設計、制造與模態(tài)試驗驗證。試驗結果顯示：該阻尼桿一階軸向模態(tài)阻尼相比無阻尼桿提高了23.7倍，且軸向剛度相比無阻尼桿未有下降，驗證了阻尼桿設計的合理性；此外，分析結果與試驗結果吻合較好，說明了阻尼分析模型的正確性。該阻尼桿設計可應用于航天器中各類撐桿或桁架結構，以改善系統(tǒng)的阻尼特性，降低航天器結構在動載作用下的響應。

復合材料；黏彈阻尼桿；有限元

1 引言

在航天領域，復合材料桿系結構以其承載效率較高、構型自由、設計和分析簡單等特點得到了廣泛應用，尤其是適用于大跨距、高穩(wěn)定復合材料的桁架結構。復合材料的阻尼雖然優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬材料，但在應用中仍顯偏低[1-2]，出于減振和提高結構穩(wěn)定性的需要，有必要對其做進一步的改進，以提高其結構阻尼。桿件結構一般可通過常規(guī)的約束阻尼來提高彎曲模態(tài)阻尼[3-5]，如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)平臺與光學有效載荷之間設計的隔振系統(tǒng)由4根復合材料阻尼桿組成[6]，美國TRW航天電子集團為保證星上精密光學部件的正常工作，在星體與光學有效載荷之間設計了隔振系統(tǒng)[7]，該系統(tǒng)由3根復合材料阻尼桿件組成，實現(xiàn)了在較低頻率下的隔振。上述復合材料阻尼桿采用了約束阻尼結構形式，均可提高復合材料桿件的彎曲模態(tài)阻尼，但不能有效提高桿件的軸向模態(tài)阻尼。在桁架結構中，桿件一般承受拉壓載荷，所以增加關鍵位置桿件在拉壓載荷作用下的軸向阻尼，對提高整個桁架結構阻尼特性最為有利。1997年發(fā)射的由美國研制的瞬態(tài)事件快速在軌記錄衛(wèi)星(FORT)[8]上使用了一種阻尼桿，由鋁合金材料和黏彈阻尼材料組成，成功抑制了發(fā)射載荷作用下的儀器板振動響應。其特點是，黏彈阻尼材料位于桿軸向的主傳力路徑，提高了桿的軸向模態(tài)阻尼，但是桿的軸向剛度下降較多，因此不能用于主傳力路徑，限制了其應用范圍。

本文提出了一種同時具備較高軸向阻尼和剛度的新型復合材料黏彈阻尼桿設計，克服了現(xiàn)有阻尼桿軸向剛度下降較多的缺點，可用于結構主傳力路徑，通過模態(tài)試驗，驗證了阻尼桿的設計與分析，此阻尼桿設計可應用于航天器各類撐桿、桁架結構，以提高航天器結構系統(tǒng)的阻尼。

2 新型復合材料黏彈阻尼桿設計

為了提高復合材料桿件的軸向阻尼，一般采用增加阻尼層的方法，其機理是通過阻尼層的剪切變形來損耗振動能量，設計關鍵是如何增大承受軸向拉壓載荷時的阻尼層應變能。眾所周知，對于膠接管接頭來說，膠層的剪切變形僅在接頭兩端的有限長度范圍內較明顯?；谏鲜鲎冃翁攸c，考慮到桿件軸向變形小且沿桿長度方向相對均勻，為了增大阻尼材料的剪切變形，可將阻尼材料分段，并沿桿軸向設計若干剛度突變區(qū)域，從而增大阻尼材料在桿件拉伸變形時的應變能和能量損耗。

本文提出的新型復合材料黏彈阻尼桿設計方法如下。

(1)沿桿長度方向上進行分段約束阻尼處理，合理選擇桿本體和約束層的材料。桿本體為主傳力路徑，選擇高強碳纖維復合材料，約束層選擇高模量碳纖維復合材料，加大了黏彈阻尼層上下表面的剛度差，從而增大了阻尼層的剪切變形，增加了應變能損耗，進而提高結構阻尼。

(2)將復合材料桿本體進行分段開槽。利用膠接接頭處膠層剪切應力分布特點，受應力集中因素影響，阻尼層在開槽處獲得了較高的剪切效應，增加了剪切變形能量損耗，進而提高結構阻尼；同時通過合理設計本體鋪層，保證桿在承受縱向拉壓載荷時的強度滿足使用要求。

(3)通過分段長度、黏彈阻尼層和約束層的厚度及鋪層順序等參數(shù)的優(yōu)化，可實現(xiàn)軸向阻尼的大幅提高。通過上述設計，黏彈阻尼層不處于桿的主傳力路徑，從而克服了現(xiàn)有阻尼桿剛度和強度下降較多的缺點。

復合材料阻尼桿的設計要求是在滿足強度要求的前提下，使阻尼和剛度達到最優(yōu)。桿件本體采用高強碳纖維增強復合材料，先進行強度設計，確定原始桿件的鋪層，然后再進行阻尼化設計，采用高模量碳纖維增強復合材料作為約束層，通過數(shù)值分析，優(yōu)化阻尼層和約束層的厚度及分段長度來實現(xiàn)復合材料桿件的阻尼化。通過基于模態(tài)應變能法的阻尼特性數(shù)值優(yōu)化，復合材料黏彈阻尼桿的設計參數(shù)如下：桿本體層選用高強T700/環(huán)氧樹脂648復合材料，長度為550 mm，桿壁的內徑為12 mm，鋪層順序為[±60°/0°2]2，0°鋪層沿桿件軸向，單層厚度0.125 mm。在桿軸向間隔100 mm的位置加工4個U型槽，如圖1所示，圖1中1表示桿件，2表示法蘭。每個槽深0.5 mm，寬0.2 mm，在每一段桿的外表面上粘貼0.1 mm的阻尼膠膜ZN-1(ZN-1是一種性能優(yōu)異的黏彈阻尼材料，為丁基橡膠與酚醛樹脂共混而成，已廣泛應用于航天領域)。然后，在阻尼膜上覆蓋約束層，鋪層選用高模量M55J/環(huán)氧樹脂648復合材料，鋪層順序為[0°3/±45°]，單層厚度0.125 mm。采用上述設計的阻尼桿軸向振動時，在高模量分段約束層作用下，黏彈阻尼層在桿本體開槽處兩側的剪切效應將會增大，從而實現(xiàn)軸向阻尼的提升。桿件兩端采用J-135膠黏劑粘接鋁合金法蘭，提供阻尼桿的安裝接口。阻尼桿橫截面的組成及厚度如圖2所示。

復合材料分段約束阻尼桿的制造采用了二次固化工藝，先固化桿本體，然后固化阻尼層及約束層。開槽采用激光切割工藝。對于60°、45°的鋪層，采用纏繞成型工藝；對于0°的鋪層，采用搓管成型工藝[9]，每鋪一層后，均需要使用搓管機進行搓管，盡可能排出預浸料層與層間包裹進去的空氣。

圖1 復合材料黏彈阻尼桿設計示意圖Fig.1 A schematic view of composite viscoelastic damped strut

圖2 復合材料黏彈阻尼桿截面示意圖Fig.2 A cross sectional view of composite viscoelastic damped strut

3 新型復合材料黏彈阻尼桿建模

基于有限元法的模態(tài)應變能法(Modal Strain Energy Method, MSE)是黏彈阻尼結構分析的最常用方法[10-11]，通過模態(tài)分析確定模態(tài)矢量，然后，通過結構損耗應變能與總應變能之比來確定阻尼結構的損耗因子?；趹兡芊ǎ枘峤Y構的第r階模態(tài)阻尼比可表示為[12]

(1)

圖3 ZN-1動態(tài)性能曲線圖 Fig.3 Dynamic property curves of ZN-1

圖4 模態(tài)阻尼比迭代計算流程圖 Fig.4 Flow of the modal damping ratio prediction

本文使用ANSYS7.0軟件進行復合材料黏彈阻尼桿的有限元建模，選用的單元為SOLID46[18]，復合材料約束阻尼結構有限元模型的單元連接關系如圖5所示，根據(jù)上述設計，復合材料黏彈阻尼桿的有限元模型如圖6所示(兩端法蘭未顯示)。

圖5 約束阻尼結構有限元模型Fig.5 Finite element model of structure with constrained damping

圖6 復合材料黏彈阻尼桿有限元模型Fig.6 Finite element model of composite viscoelastic damped strut

4 試驗驗證

為了驗證復合材料黏彈阻尼桿的設計，獲取一階軸向模態(tài)阻尼比，設計了模態(tài)試驗。試驗還包含了相同尺寸的無阻尼復合材料桿的軸向模態(tài)阻尼比測試。試驗驗證時，桿件一端固支，另一端自由，為了降低桿的軸向振動頻率，需要在桿的自由端附加配重塊，通過預分析，不失一般性，配重塊質量選為5.0 kg。在配重塊象限線位置上布置4個三向加速度傳感器(根據(jù)加速度信號，可判斷桿振動是否沿軸線方向)，沿桿長度方向的1/3位置處布置2個三向加速度傳感器。模態(tài)試驗系統(tǒng)如圖7所示，由圖7可知，復合材料黏彈阻尼桿模態(tài)試驗系統(tǒng)由力錘、試驗件(配重塊、復合材料黏彈阻尼桿)、數(shù)據(jù)采集器、加速度計等組成。采用單點激勵多點拾振的方法獲取模態(tài)參數(shù)，用力錘沿垂直方向激勵試驗件，將力激勵信號和加速度響應信號導入LMS TEST Lab模態(tài)識別系統(tǒng)，由模態(tài)分析軟件獲取其固有頻率和模態(tài)阻尼比。

圖7 復合材料黏彈阻尼桿模態(tài)試驗系統(tǒng)框圖Fig.7 A schematic of modal test arrangement for compoiste viscoelastic damped strut

復合材料黏彈阻尼桿的模態(tài)測試結果與數(shù)值分析結果對比見表1。由表1可知，本文研制的阻尼桿一階軸向模態(tài)阻尼比為4.27%，而未進行阻尼處理的復合材料桿軸向模態(tài)阻尼比僅為0.18%，軸向阻尼提高了23.7倍，復合材料黏彈阻尼桿在保持較高軸向剛度的同時，較好地改善了復合材料桿的拉壓阻尼特性。另外，模態(tài)阻尼比分析結果與試驗值存在12%的誤差，而頻率分析結果與試驗值較為接近，表明本文所建立的阻尼分析模型可用于黏彈阻尼結構的阻尼特性分析。

表1 模態(tài)測試結果與分析值的比較

5 結束語

本文提出了一種新型復合材料黏彈阻尼桿設計，完成了阻尼桿的制造與試驗驗證。該設計在復合材料桿長度方向上進行分段約束阻尼處理，通過合理選擇桿本體層和約束層的材料、優(yōu)化分段長度、黏彈阻尼層和約束層厚度及鋪層順序，在保證軸向剛度的同時，實現(xiàn)了軸向阻尼的大幅提高。模態(tài)試驗結果表明：該復合材料阻尼桿相比無阻尼桿，軸向阻尼可提高23.7倍；此外，阻尼和頻率分析結果與測試結果吻合良好，驗證了本文數(shù)值模型的正確性。本復合材料黏彈阻尼桿設計可應用于衛(wèi)星各類撐桿、桁架式結構，有效改善系統(tǒng)的阻尼特性，降低動載作用下的響應。

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Design of A New Composite Viscoelastic Damped Strut

ZHANG Shaohui1,2CHEN Haifeng1ZHANG Xiaoli1CHAI Hongyou1,2

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China) (2 Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic System Technology and Applications，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094，China)

Aimed at the problem of low damping of composite strut, this paper proposes a new design of composite viscoelastic damped strut using the segmented constrained layer to enhance the shear deformation of the damping material for vibration energy dissipation. The advantage of the damped strut is that it can be used in main load transfer path and the axial damping can be substantially increased with high axial stiffness. The test article has been designed, fabricated and test. The test results indicate that the axial damping of the damped strut is raised 23.7 times compared with undamped strut with the axial stiffness undecreased. Numerical results correlate well with the test results proving the validity of the proposed FE model for damping prediction. This damped strut design can be used for supporting strut or member of truss in satellite structures to enhance system damping and decrease dynamic response.

composite；viscoelastic damping strut；finite element

V214.3

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.007

2017-06-20；

2017-07-03

國家重大航天工程

張少輝，博士，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星結構設計與分析。Email: ime2008@126.com。

(編輯：李多)