低頻振動(dòng)控制用阻尼器流固耦合仿真*

李振哲 華璟 孫杰 周徐斌 劉興天?

(1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)(2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109)

引言

高分辨率是遙感探測(cè)類衛(wèi)星發(fā)展的永恒方向，分辨率的提升使得搭載的相機(jī)口徑以及天線陣面不斷向大尺度，大撓性方向發(fā)展.此外，衛(wèi)星功率的增大也使太陽(yáng)陣等撓性結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加大.撓性結(jié)構(gòu)的增多會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)或受外界擾動(dòng)后產(chǎn)生頻率低、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的振動(dòng)，進(jìn)而影響姿態(tài)控制效果和衛(wèi)星成像性能[1].為了保證衛(wèi)星撓性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)快速衰減，采取被動(dòng)阻尼減振是可靠性高、性能優(yōu)良的方法，該方法已在多個(gè)衛(wèi)星上在軌應(yīng)用[2].

著名的哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽(yáng)陣就采取了黏性阻尼減振措施，還使用Honeywell公司設(shè)計(jì)的流體阻尼器來(lái)隔離飛輪產(chǎn)生的擾動(dòng)[3]；Davis等人在兩參數(shù)流體阻尼器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種固有頻率為1.5 Hz的三參數(shù)被動(dòng)流體阻尼器來(lái)隔離反作用飛輪產(chǎn)生的微振動(dòng)[4]；美國(guó)國(guó)家航空航天局研發(fā)的D-strut流體阻尼器用于航天器桁架結(jié)構(gòu)的減振與控制力矩陀螺的隔振上[5].國(guó)內(nèi)的陸澤瑜[6]、鄧國(guó)紅[7]、彭志科[8]還使用了非線性阻尼進(jìn)行隔振研究.對(duì)于流體阻尼器的仿真國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究.徐曉東使用Ansys CFX軟件仿真分析不同頻率的激勵(lì)對(duì)孔隙式流體阻尼器性能產(chǎn)生的影響[9]；陳威使用MATLAB軟件模擬分析了阻尼孔大小、阻尼孔長(zhǎng)度、硅油黏度等對(duì)流體阻尼器性能的影響[10]；丁行武使用CFD軟件對(duì)孔隙式阻尼器進(jìn)行了仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析[11].

本文設(shè)計(jì)了一種新型流體阻尼器，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)增加阻尼器件，提高撓性結(jié)構(gòu)的阻尼比，在軌時(shí)快速衰減撓性結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)，減少撓性附件低頻振動(dòng)對(duì)整星姿軌控系統(tǒng)的影響，提升衛(wèi)星的在軌穩(wěn)定度.

本文的創(chuàng)新點(diǎn)通過(guò)有限元軟件對(duì)不同參數(shù)的阻尼器進(jìn)行流固耦合仿真分析，得到了阻尼孔徑、阻尼孔長(zhǎng)度對(duì)阻尼力的影響規(guī)律，驗(yàn)證了最佳阻尼系數(shù)的存在，為阻尼器的性能分析和工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)指導(dǎo).

1 流體阻尼器結(jié)構(gòu)與工作原理

設(shè)計(jì)的流體阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由上阻尼筒、U形柔性筒、下阻尼筒、波紋管、彈簧等組成.上阻尼筒、U形柔性筒與下阻尼筒按示意圖中順序相連接，通過(guò)結(jié)構(gòu)間的空隙構(gòu)成上腔體.下阻尼筒與波紋管通過(guò)焊接相連，波紋管下端與下阻尼筒之間安裝預(yù)緊彈簧提供背壓，通過(guò)結(jié)構(gòu)間的空隙構(gòu)成下腔體.上下兩個(gè)阻尼腔通過(guò)下阻尼筒中的阻尼孔連接，構(gòu)成一個(gè)完整的阻尼器內(nèi)部流場(chǎng).

圖1 流體阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

如果阻尼器受到壓縮或拉伸，將會(huì)產(chǎn)生軸向的變形，壓縮或拉伸U形柔性筒，引起上阻尼腔內(nèi)阻尼液體積減小或增大，從而使阻尼液流入或流出阻尼孔，產(chǎn)生阻尼力，起到振動(dòng)抑制的作用.將柔性筒設(shè)計(jì)成U形結(jié)構(gòu)，其外徑遠(yuǎn)大于阻尼孔的直徑，當(dāng)柔性筒發(fā)生很小的形變時(shí)，阻尼液的體積會(huì)發(fā)生較大的變化，從而可以增加流經(jīng)阻尼孔的流量，在較小激勵(lì)下產(chǎn)生較大的阻尼.

2 流體阻尼器仿真計(jì)算

為了研究流體阻尼器的阻尼力、滯回耗能性能及等效阻尼系數(shù)等參數(shù)，本文使有限元軟件對(duì)阻尼器進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算，對(duì)硅油通過(guò)阻尼器內(nèi)阻尼孔后阻尼器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行仿真.首先用三維建模軟件建立流體和固體的三維模型，將建立好的模型導(dǎo)入有限元軟件中，分別對(duì)流體和固體部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算設(shè)置，然后把劃分完成的流體和固體進(jìn)行耦合分析.同時(shí)在仿真分析時(shí)，作出如下假設(shè)：(1)流體不可壓縮；(2)忽略溫度影響；(3)流體流動(dòng)滿足流量的連續(xù)性條件.

2.1 有限元模型

阻尼器的有限元模型分別由流體部分和固體部分組成.固體部分由上阻尼筒，柔性筒以及下阻尼筒組成，計(jì)算模型如圖2所示，其中下阻尼筒的下端與波紋管相連接，波紋管的下端受彈簧壓縮，提供背壓，本次采取在出口設(shè)置背壓的方式進(jìn)行彈簧力的模擬.實(shí)體模型采用六面體單元，流體部分采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分

(a) 流體部分有限元模型

2.2 阻尼系數(shù)計(jì)算方法

流體阻尼器動(dòng)力學(xué)模型的阻尼系數(shù)通常使用有限元軟件仿真分析或者實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到.本文通過(guò)仿真分析得到流體阻尼器固定端支反力與流體阻尼軸向位移間接計(jì)算出流體阻尼器動(dòng)力學(xué)模型的阻尼系數(shù).

由于流體阻尼器的阻尼特性，對(duì)流體阻尼器施加正弦位移激勵(lì)時(shí)，輸入的位移與輸出的流體阻尼器支反力的數(shù)值會(huì)形成一個(gè)封閉的曲線，這個(gè)封閉曲線被稱為遲滯回線，該曲線圍成的面積與流體阻尼器由于阻尼作用在正弦位移激勵(lì)下一個(gè)周期內(nèi)消耗的能量呈正比.本文通過(guò)遲滯回線的方法處理仿真得到的流體阻尼器固定端支反力與流體阻尼軸向位移，以此計(jì)算流體阻尼器的阻尼系數(shù).

因此，當(dāng)對(duì)流體阻尼器施加一個(gè)正弦位移激勵(lì)x(t)=x0sin(ω0-θ)t時(shí)，產(chǎn)生的阻尼力為：

(1)

在一個(gè)周期內(nèi)流體阻尼器消耗的能量為：

(2)

此時(shí)流體阻尼器阻尼系數(shù)為：

(3)

如圖3所示，本次仿真將A面設(shè)置為固定端并記錄該面的支反力，對(duì)B面施加正弦速度激勵(lì)，最大位移為0.025 mm，將內(nèi)部與流體接觸的面設(shè)置為耦合面進(jìn)行仿真分析.通過(guò)流固耦合的方法仿真得到流體阻尼器固定端支反力與流體阻尼軸向位移，以此得到各工況的遲滯回線，并以此計(jì)算流體阻尼器的阻尼系數(shù).

圖3 流固耦合參數(shù)設(shè)置

本文通過(guò)仿真得到的阻尼孔孔徑0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm工況下遲滯回線如圖4所示.通過(guò)遲滯回線的面積對(duì)流體阻尼器各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析.

(a) 0.6 mm孔徑遲滯回線圖

3 仿真結(jié)果分析

3.1 阻尼器內(nèi)流場(chǎng)特性

圖5為激勵(lì)速度最大時(shí)阻尼器流體區(qū)域的壓力場(chǎng)分布圖，此時(shí)流場(chǎng)壓力達(dá)到最大值.從圖中可以看出左右兩側(cè)腔體內(nèi)壓力基本保持恒定，而阻尼孔中壓力從右至左呈線性增大的規(guī)律.

圖5 流體壓力場(chǎng)分布圖

提取了阻尼孔內(nèi)A,B,C三點(diǎn)處流體壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖6所示，阻尼孔內(nèi)各點(diǎn)的流體壓力隨時(shí)間成正弦變化，當(dāng)激勵(lì)速度達(dá)到最大值時(shí)，流體壓力也達(dá)到最大值.壓力變化的幅值由A點(diǎn)到C點(diǎn)逐漸減小.

(a) 點(diǎn)A處流場(chǎng)壓力隨時(shí)間變化曲線圖

3.2 阻尼孔徑對(duì)阻尼系數(shù)的影響

流體阻尼器阻尼孔徑是影響其隔振性能的重要因素之一，阻尼孔的直徑會(huì)影響阻尼器的動(dòng)剛度和阻尼系數(shù).本文分析了改變阻尼孔徑對(duì)阻尼器隔振性能的影響，計(jì)算參數(shù)如表1所示.

表1 計(jì)算參數(shù)

圖7是在1Hz激勵(lì)下不同孔徑時(shí)阻尼系數(shù)隨孔徑大小的變化規(guī)律.由圖可知，隨著阻尼孔徑的增加，在阻尼活塞中流經(jīng)阻尼孔的流量先增大后減小，因而阻尼系數(shù)隨阻尼孔徑的增大而先增加后減小.

圖7 不同孔徑阻尼系數(shù)變化規(guī)律

3.3 阻尼孔長(zhǎng)對(duì)阻尼系數(shù)的影響

流體阻尼器阻尼孔長(zhǎng)也是影響其隔振性能的重要因素之一.本文分析了改變阻尼孔長(zhǎng)對(duì)阻尼器隔振性能的影響，計(jì)算參數(shù)如表2所示.

表2 計(jì)算參數(shù)

圖8是在1 Hz激勵(lì)下不同孔長(zhǎng)時(shí)阻尼系數(shù)隨孔長(zhǎng)度的變化規(guī)律.由圖可知，阻尼系數(shù)隨著孔長(zhǎng)先增大后減小，因?yàn)榭组L(zhǎng)較小時(shí)，主要是阻尼活塞內(nèi)流經(jīng)阻尼孔的流體產(chǎn)生阻尼，隨著阻尼孔的增長(zhǎng)，流經(jīng)阻尼孔的流體摩阻耗能增多，阻尼系數(shù)增大，當(dāng)阻尼孔繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，液阻產(chǎn)生的影響變大，阻尼活塞內(nèi)被壓縮的流體增多，因此阻尼孔內(nèi)的流量減少，導(dǎo)致阻尼系數(shù)減小.

圖8 不同孔長(zhǎng)阻尼系數(shù)變化規(guī)律

3.4 激勵(lì)頻率對(duì)阻尼系數(shù)的影響

流體阻尼器的阻尼系數(shù)隨著激勵(lì)頻率不斷改變，因此，本文分析了激勵(lì)頻率對(duì)阻尼系數(shù)的影響，計(jì)算參數(shù)如表3所示.

表3 計(jì)算參數(shù)

圖9是阻尼系數(shù)隨激勵(lì)頻率的變化曲線.由圖中可知，隨著激勵(lì)頻率的增大，阻尼系數(shù)減小，其原因在于激勵(lì)頻率增大時(shí)，液阻迅速增大，阻尼活塞內(nèi)被壓縮的流體也增大，因此通過(guò)阻尼孔的流量減小，阻尼系數(shù)也減小.

圖9 不同激勵(lì)頻率阻尼系數(shù)變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種流體阻尼器，并采用流體力學(xué)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了流固耦合仿真分析.仿真結(jié)果表明，在低頻激勵(lì)下，隨著孔徑與孔長(zhǎng)的增加，阻尼系數(shù)先增大后減小，以最大阻尼系數(shù)為目標(biāo)，存在對(duì)應(yīng)的最佳阻尼孔徑與孔長(zhǎng)，其大于或小于最佳孔徑與孔長(zhǎng)，阻尼系數(shù)均減小.隨著激勵(lì)頻率的增加，阻尼系數(shù)減小.在實(shí)際應(yīng)用與撓性附件減振時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)和基頻信息合理設(shè)計(jì)參數(shù)以達(dá)到最佳阻尼比和減振效果.本文對(duì)此類低頻振動(dòng)控制用阻尼器的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用.