空間桁架結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

駱海濤，富 佳，王 鵬，王 巍，陳 寧

（1.中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110819）

隨著航天器朝著大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，空間桁架由于容易拆裝、工藝性好、質(zhì)量輕，且可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)等優(yōu)良屬性得到了越來越廣泛的應(yīng)用，它也是國際空間站重要組成部分?？臻g桁架的主要應(yīng)用在兩個(gè)方面，一個(gè)是在空間桁架最頂端連接相關(guān)的光電學(xué)設(shè)備，用來分離電子設(shè)備從而降低相互間干擾；另一個(gè)是作為支撐結(jié)構(gòu)，支撐空間大型可展開天線和衛(wèi)星上的太陽帆板等。航天載荷里面裝有精密光電學(xué)儀器，它往往和空間桁架連在一起使用。

空間桁架及其載荷通過運(yùn)載火箭發(fā)射升空，運(yùn)載火箭在發(fā)射過程中所經(jīng)歷的振動(dòng)環(huán)境主要分為隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境和低頻正弦振動(dòng)環(huán)境。隨機(jī)振動(dòng)主要是由起飛時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲、跨音速飛行段的氣動(dòng)噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)等所引起的寬帶隨機(jī)振動(dòng)。低頻正弦振動(dòng)主要是由pogo振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、熄火和級(jí)間分離所引起的彈體結(jié)構(gòu)低階模態(tài)自由振蕩，由陣風(fēng)和跨音速飛行段激波振蕩所引起的彈體橫行抖動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒引起的低階縱向振蕩。這種低頻的振動(dòng)環(huán)境會(huì)使空間桁架結(jié)構(gòu)遭到損壞，發(fā)生連接松散，結(jié)構(gòu)件變形，性能下降的現(xiàn)象，同時(shí)這種振動(dòng)會(huì)使光電學(xué)儀器精度下降，機(jī)械疲勞，電路瞬間短路、斷路，甚至功能失效[1]。因此，對(duì)空間桁架及其載荷振動(dòng)特性與振動(dòng)抑制的研究很有必要[2-4]。

本文根據(jù)實(shí)際工程需要，采用在空間桁架管狀結(jié)構(gòu)上敷加黏彈性阻尼層的方法進(jìn)行減振[5]。黏彈性阻尼層形式簡單，不需要改動(dòng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，粘貼方便，阻尼性能優(yōu)越，使用較少的材料就能達(dá)到較大的減振效果[6-8]。空間桁架具有延展性，取其中一小段不僅便于研究，而且研究成果也可以應(yīng)用到整個(gè)大型空間桁架中。航天載荷是航天精密光電學(xué)儀器的載體，這些儀器對(duì)于宇航員的空中作業(yè)和航天事業(yè)的發(fā)展都起到關(guān)鍵性的作用。

傳統(tǒng)空間桁架在減振上大多采用直接在長管上敷加約束阻尼層的方法，由于管道較長，剛度較大導(dǎo)致減振效果不佳。本文介紹的一種打斷長管結(jié)構(gòu)，在連接的多段短管上敷加自由阻尼層，通過膠黏劑和短管連接組成長管。這種結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)直接在長管上敷加約束阻尼層的結(jié)構(gòu)相比盡管剛度有所降低，但減振效果更好[9]。此方法可以通過改變連接管的直徑、長度來改變自由阻尼層的厚度、敷加位置和敷加面積，從而達(dá)到最佳的減振效果。

1 黏彈性阻尼材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

彈性材料在被施加外力之后，其應(yīng)力和應(yīng)變幾乎是同時(shí)增加或減小，二者的相位基本一致，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是一條直線，黏彈性阻尼材料和彈性材料不同，在被施加外力之后，應(yīng)變滯后于應(yīng)力[10-11]，滯后相位角為α，如圖1(a)所示。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為一條曲線，如圖1(b)所示。

在圖1(b)中橢圓形曲線所包圍的圖形面積就表示結(jié)構(gòu)經(jīng)過振動(dòng)后黏彈性材料消耗掉的振動(dòng)能量，當(dāng)黏彈性材料受到外界載荷作用產(chǎn)生彈性變形時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖1 黏彈性材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

這里采用復(fù)模態(tài)法來描述黏彈性阻尼材料性能，根據(jù)復(fù)模量定義（拉伸模量）

或者

其中：η是黏彈性阻尼材料的阻尼因子，它可以衡量黏彈性阻尼材料消耗能量的能力。η=Ε″/Ε′，Ε?是黏彈性阻尼材料的復(fù)拉伸模量；Ε′是黏彈性阻尼材料復(fù)拉伸模量的實(shí)部，Ε″是黏彈性阻尼材料復(fù)拉伸模量的虛部，它決定了黏彈性阻尼材料消耗能量的多少。

2 空間桁架復(fù)合結(jié)構(gòu)

空間桁架及其航天載荷結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖2所示。

圖2 空間桁架及其航天載荷結(jié)構(gòu)

整個(gè)結(jié)構(gòu)由長管、短管、上下蓋板、左右蓋板、前后蓋板、連接方塊和工裝幾部分組成。參試結(jié)構(gòu)總重15.848 kg，材質(zhì)為航天硬鋁合金7075。

航天載荷箱體結(jié)構(gòu)外部采用板狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，各個(gè)面之間通過螺釘進(jìn)行連接，連接方塊六個(gè)面開有螺紋孔，通過螺釘和連接件、箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接；除了和箱體結(jié)構(gòu)，工裝接觸的八個(gè)面，其余各面表面中心位置有直徑18 mm，深度為2 mm的圓形凹槽，用于連接件定位；長管、短管和連接方塊之間通過連接件用螺釘連接；底部的4個(gè)連接方塊通過螺釘和工裝連接，而工裝通過螺釘和振動(dòng)臺(tái)連接。

空間桁架打斷長管連接部位的阻尼層選用北京宇航材料研究所（703所）提供的成熟產(chǎn)品，厚度分別為0.8 mm和3 mm，材料為丁腈橡膠，其材料屬性，如下表1所示。

3 振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)象是原始長管的空間桁架結(jié)構(gòu)與打斷長管式新結(jié)構(gòu)，在連接管上敷加自由阻尼層，通過膠黏劑與打斷長管相連，打斷長管通過連接件用螺釘和連接方塊相連，如圖3所示。

圖3 打斷長管連接斷面

試驗(yàn)系統(tǒng)包括：激振系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置包括振動(dòng)臺(tái)、控制儀、功率放大器、64通道B&K3660-D數(shù)據(jù)采集儀、B&K4508-B加速度傳感器和電腦等。振動(dòng)試驗(yàn)及分析的基本步驟如圖4所示，振動(dòng)控制儀輸出的正弦掃頻控制信號(hào)經(jīng)功率放大器放大之后傳遞給振動(dòng)臺(tái)，電磁振動(dòng)臺(tái)分別沿X向、Y向和Z向激勵(lì)空間桁架和航天載荷結(jié)構(gòu)，各測量通道的加速度響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過濾波和放大采集到電腦，經(jīng)平均處理和分析，得到0～200 Hz范圍內(nèi)各測點(diǎn)加速度曲線。

圖4 振動(dòng)試數(shù)據(jù)處理流程圖

通過對(duì)原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)進(jìn)行X、Y和Z方向的正弦掃頻試驗(yàn)，來評(píng)估兩個(gè)方案的減振效果。試驗(yàn)過程中的照片如圖5所示。

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場照片

原空間桁架和航天載荷結(jié)構(gòu)與打斷長管式新結(jié)構(gòu)在X、Y和Z方向激勵(lì)下的載荷上同一加速度測點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線，如圖6－圖8所示。

圖6 X方向測點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線

圖7 Y方向測點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線

這里，對(duì)空間比較關(guān)注的縱向激勵(lì)情況下的減振效果進(jìn)行分析?？臻g桁架的原始設(shè)計(jì)方案與打斷長管式新方案在3個(gè)方向激勵(lì)下載荷同一測點(diǎn)的加速度響應(yīng)結(jié)果對(duì)比，如表2所示。

表1 阻尼層和約束層材料屬性

表2 Z方向試驗(yàn)加速度響應(yīng)對(duì)比

圖8 Z方向測點(diǎn)3加速度響應(yīng)曲線

通過兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出打斷長管式結(jié)構(gòu)在0 Hz到200 Hz范圍內(nèi)在X、Y、Z三個(gè)方向上的加速度響應(yīng)和最大加速度響應(yīng)頻率與原空間桁架結(jié)構(gòu)相比均有降低，但共振頻率略有所降低。其中X向?qū)?yīng)加速度最大響應(yīng)頻率從18.25 Hz降到15.84 Hz，Y向?qū)?yīng)加速度最大響應(yīng)頻率從22.64 Hz降到19.42 Hz，Z向?qū)?yīng)加速度最大響應(yīng)頻率從132.75 Hz降到117.85 Hz?？臻g桁架和航天載荷結(jié)構(gòu)在Z向的減振效果最為明顯，加速度響應(yīng)峰值最多降幅可達(dá)53.7%以上。

4 結(jié)語

本文介紹了一種打斷長管式空間桁架及其航天載荷結(jié)構(gòu)，并通過采用敷加黏彈性阻尼層對(duì)其進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際工況條件，對(duì)原始模型和新模型兩種方案進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)分析，得到了打斷長管式新方案結(jié)合在其連接處敷加約束阻尼層的方法對(duì)于航天載荷的減振效果更明顯，質(zhì)量也更輕的結(jié)論，并驗(yàn)證了新方案的可行性。另外，通過振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，使得黏彈性阻尼層在空間桁架和航天載荷結(jié)構(gòu)上的減振效果有了更加直觀和準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，對(duì)于黏彈性阻尼材料在空間桁架結(jié)構(gòu)和類似航天器上的應(yīng)用具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。