卫星挠性附件用黏弹性阻尼器试验研究

2018-08-30孔祥森刘兴天申军烽周徐斌

噪声与振动控制 2018年4期

孔祥森，周静，刘兴天，申军烽，周徐斌

（上海卫星工程研究所空间机热一体化技术实验室，上海 201109）

随着航天技术的不断发展，低刚度的挠性附件如天线、太阳电池阵、空间桁架等作为一类特殊的结构在航天领域中正在得到越来越广泛的应用[1]。但这些附件在太空工作时将不可避免地受到各种内部和外界微振动的干扰，激起低频、大幅度、长时间的振动，且由于结构阻尼一般较低，振动很难自行衰减。这种振动与卫星主体的姿态运动高度耦合，干扰了姿态控制系统的正常工作，给高分辨率卫星有效载荷性能的实现带来严重影响。著名的哈勃望远镜[2]受冷热交变激励，引起太阳电池阵的低频共振，造成指向控制系统稳定度超差，导致哈勃多数时间无法进行科学观测。近年来，我国遥感卫星的高分辨率不断取得新的突破，星上光学有效载荷对卫星平台的结构微振动水平要求愈加严格。孟光[3]、Liu[4]等对微振动控制方法进行了综述，Sun[5]、Kamesh[6]研究了新型的微振动隔振系统。采取阻尼器进行振动抑制是行之有效的手段，而且这些方法广泛用于建筑结构的地震隔离[7–9]。

随着星上力矩陀螺、反作用飞轮等主要扰动源的隔振减振研究方法和手段日趋成熟，挠性附件的扰动作为新的主要影响因素逐渐变得不容忽视。由于挠性附件在轨振动能量较大的低阶模态主要引起挠性附件与星体连接的根部发生变形，因此，可考虑在根部增加阻尼[10–12]。本文设计了一种黏弹性阻尼器，连接在挠性附件根部与星体之间，其不仅可提供较大连接刚度，保证挠性附件与星体之间的连接，还可以通过约束阻尼层结构的剪切压缩变形耗散机械能，实现对挠性附件低频振动的有效衰减。

1 低频减振阻尼器设计

1.1 阻尼实现原理

约束阻尼结构，即在原有结构上粘贴黏弹性阻尼材料层和约束层，其阻尼层会随着结构振动发生周期性拉伸变形，利用阻尼材料内应力和应变之间的相位差耗散结构能量，可达到减振降噪的目的，故约束阻尼层能有效抑制一定频宽内的随机振动，进而改善结构动力学性能。

通常采用结构损耗因子来描述一个结构损耗振动能量的能力。

其中：η表示整个结构的损耗因子，Eloss表示整个结构损耗的能量，Eo表示结构振动的机械能。

本文主要通过模态应变能法（MSE）指导阻尼器的设计。使用该方法可通过计算整个结构在固有频率下的损耗因子来描述结构的阻尼性能

其中：ηv是黏弹性材料的损耗因子是第r阶阵型中黏弹性材料的弹性应变能，此时将黏弹性材料当做刚体计算，不考虑其阻尼；V(r)是第r阶阵型中整个复合结构的弹性应变能。

1.2 结构设计

阻尼器构型如图1所示，其主要由1个法兰盘和4个1/4约束阻尼层构成。

图1 阻尼器三维图（1/4约束层隐藏）

其中，法兰盘的中心轴主要用来承载和传递作用力，以保证连接刚度；1/4约束阻尼层分别由内约束层、阻尼层、外约束层组成，内约束层与法兰盘一端面固联，外约束层与法兰盘另一端面固联，内外约束层之间为阻尼层。安装时，法兰盘的一端与挠性附件根部固联，另一端与卫星主体连接。由挠性附件振动引发的桅杆弯曲和扭转经过阻尼器的振动衰减，再传至卫星主体。阻尼器的阻尼层受剪切变形耗散能量实现减振。在满足挠性附件与卫星主体连接刚度的情况下，适当减小中心轴的外径，使更多的模态应变能传递到约束阻尼层上，由式（2）可知如此可提高整体结构的阻尼特性。

2 仿真分析

2.1 模态分析

阻尼器有限元模型如图4所示。其中，中心轴、法兰盘、内外约束层采用钛合金，中间的阻尼层采用黏弹性阻尼材料。

图2 阻尼器有限元模型

系统仿真中，选取太阳帆板作为挠性附件分析，由于卫星实际使用的太阳帆板组成结构和材料特性较为复杂，且展开尺寸很大，给后续的试验研究增加难度。因此，本文模拟实际太阳帆板的低阶模态频率和振型，设计出一块挠性板代替太阳帆板进行仿真分析和试验研究，并对挠性板进行了镂空设计，挠性板结构参数见表1。固定与其连接的刚性桅杆根部，安有阻尼器的挠性板在0～10 Hz内的低阶模态特性如表2所示，对应的模态振型见图3。

表1 挠性板结构参数

表2 安有阻尼器且根部固定的挠性板模态频率

2.2 振动抑制性能分析

图3 安有阻尼器且桅杆根部固定的挠性板前4阶模态阵型

利用有限元软件对上述结构进行频响分析，在材料参数设置中对阻尼层的结构阻尼系数分别设置成0、0.5、1、2。激励点为近桅杆根部的1#点，方向为z向，其它测点布置以及坐标系如图4所示。不同阻尼参数条件下z方向（垂直于纸面方向）的频响曲线见图5和图6。

图4 激励点及各测点布置图

图5 不同阻尼条件下挠性板测点频响曲线（测点4/测点1）

由图5和图6可见，随着结构阻尼系数增大，测点4、测点3相对于测点1的频响曲线的共振峰均逐渐减小，主频略向右偏移。在4.4 Hz的共振峰处，减振效果良好；在1.4 Hz的共振峰处，放大比得到一定的降低，当阻尼层结构阻尼参数设置为2时，共振放大比降低超过30%。

3 试验研究

为验证阻尼器的减振性能，进行试验研究。试验采用激振器-阻尼器-挠性板的连接方式，如图7所示，阻尼器的上端面固定在桁架上，下端面连接挠性板，详细连接示意图见图8。

图6 不同阻尼条件下挠性板测点频响曲线（测点3/测点1）

图7 实验装置及现场图

激振器施加0.1 Hz～15 Hz的正弦扫频激励，通过测量输入（1#测点信号）和输出（挠性薄板信号，即测点2#、3#、4#、5#信号）的加速度，获得不同阻尼水平下的共振放大比，其中垂直于挠性板方向为z向。试验选用丁基橡胶和2552减振材料（3M）作为阻尼层材料，阻尼层厚度分别选为0.4 mm、0.8 mm，进行对比试验分析，两种阻尼材料的基本属性如表3所示［13–14］。试验中比较同一阻尼层厚度时，无阻尼和不同阻尼材料对低频减振性能的影响；并比较同一阻尼材料时，无阻尼和不同阻尼层厚度对低频减振性能的影响。

图8 阻尼器连接示意图

表3 两种阻尼材料阻尼性能

试验结果如图9－图12所示。图9和图10为阻尼层厚度均为0.4 mm时，不同阻尼材料对阻尼器低频减振效果的影响。从时域图可明显看出，无阻尼时测点4共振后衰减较为缓慢，采用丁基橡胶和2552减振材料不仅大大减小衰减时间，还显著降低共振峰幅值，其中2552减振材料效果更好些。

图9 不同阻尼材料条件下4#测点实测时域响应图

图10 不同阻尼材料条件下4#、#1实测频响曲线

由频域图可知，2552减振材料在1.4 Hz处使测点4相对于测点1的共振放大比降低了50%，在系统结构的其它共振峰处放大比也减小了；同时丁基橡胶和2552减振材料使共振峰主频略向右偏移，其中2552减振材料偏移量较小。因此，作为设计采用的阻尼器阻尼层材料，2552减振材料要优于丁基橡胶。

图11 不同阻尼材料条件下3#测点实测时域响应图

图12 不同阻尼材料条件下3#/、#1实测频响曲线

图11和图12为阻尼层材料均为2552减振材料时，不同阻尼层厚度对阻尼器低频减振效果的影响。由测点3的时域图和测点3相对于测点1共振放大比频域图可知，有阻尼工况的共振衰减时间比无阻尼工况短、共振放大比降低明显，但比较阻尼层厚度为0.4 mm和0.8 mm时的结果发现，一定范围内阻尼层的厚度改变对阻尼器的低频减振效果基本无影响。因此，阻尼存在可使阻尼器对结构的低频振动起到抑制作用，而增加约束阻尼层中阻尼材料的厚度并不能进一步提高阻尼器的阻尼特性。