空間飛行器阻尼減振設計與應用

李海巖　廉永正　呂靜　王彬　張盛

摘要：

在空間飛行器結構設計中，為改善儀器設備的振動環境，基于結構模態特性和動力學響應的關系，以某型號空間飛行器為例開展阻尼減振設計.通過仿真分析及地面試驗，對減振設計的有效性進行驗證.結果表明：在結構模態中的最大應變部位周圍附加阻尼層可有效降低結構振動.結構測點在共振峰附近的放大倍數顯著降低，最大降低幅度超過90%；結構測點的隨機振動響應量級降至設備耐受能力范圍之內，阻尼減振設計達到預期目的.

關鍵詞：

空間飛行器； 振動； 約束阻尼； 減振； 模態特性； 動力學響應； 有限元； 試驗

中圖分類號： V19

文獻標志碼： B

Abstract：

To optimize the vibration environment for equipment in the procedure of spacecraft structural design， the damping vibration reduction design of a certain type of spacecraft is done based on the relationship between the structural modal feature and dynamic response. The effectiveness of the vibration reduction design is validated by simulation analysis and ground experiments. The results show that the structural vibration can be effectively reduced by adding damping layer around the maximum strain area. The amplification factor near the resonance peak is significantly reduced and the maximum reduction range is more than 90%. The random vibration response of the structural measure point is reduced to the range of tolerance capability. The damping vibration reduction design achieves the expected goal.

Key words：

spacecraft； vibration； constrained damping； vibration reduction； modal analysis； dynamic response； finite element； experiment

0引言

隨著航天技術的發展，越來越多的軍、民用空間飛行器步入太空軌道.在運載器主動段，空間飛行器歷經較為復雜的振動和噪聲環境，可能導致電子器件失效、儀器儀表失靈、機械零部件壽命縮短等問題，嚴重影響空間飛行器的可靠性，甚至造成飛行任務失敗.[1]因此，空間飛行器的減振設計成為環境工程中的關鍵技術問題.

近幾十年來，以黏彈性阻尼材料為基礎的阻尼減振技術得到長足發展，航天工程中多種型號采用阻尼減振設計[26]，但目前阻尼減振設計尚未形成統一規范，且經常在初樣產品地面試驗后進行一些更改性設計或大面積應用阻尼材料，導致減振設計受到結構方案限制或阻尼材料不必要的浪費.因此，在結構設計初期，基于結構動力學分析進行阻尼減振設計，可提前找到結構設計的薄弱環節，避免在初樣階段地面試驗后更改結構，影響飛行器研制進度.

本文以某型號空間飛行器為例，完成阻尼減振設計，開展有限元仿真分析及地面試驗，充分驗證該設計的有效性.目前，該型號空間飛行器已經成功發射，并且在軌順利完成各項任務.

1阻尼減振機理

黏彈性阻尼材料減振通常包括自由阻尼層和約束阻尼層2種形式.[7]自由阻尼層是指阻尼層直接粘貼在基體結構表面，見圖1.約束阻尼結構是在自由阻尼結構的彈性層上增加約束層，見圖2.結構振動時，阻尼層隨結構件振動，黏彈性阻尼材料發生拉伸或剪切變形，使機械振動的能量轉化成熱能，通過熱能耗散實現減振.通常，阻尼材料變形越大，耗散能量越多，減振效果越好.[89]

由式（5）可見，系統具有n個共振頻率點，在外力激勵下，系統振動由n階主振動疊加而成，系統的穩態響應由n個不同形態的穩態響應疊加而成.[10]當外力的激勵頻率接近系統的某階固有頻率時，ω-≈1，主坐標位移響應x迅速增大，出現共振現象.此時，式（6）變為βj=1/2ξ，即通過提高結構阻尼，可有效降低振動響應.

因此，依據結構系統振動響應，確定響應峰值對應的某階主振動，針對該階主振動的振型特性，確定材料相對變形最大的位置，即在材料應變最大的位置周圍布置阻尼層，可以較大限度地達到能量耗散的目的，是阻尼減振設計最有效、最經濟的方法.

3某空間飛行器應用實例

3.1結構初步設計

某空間飛行器初步結構設計采用薄壁筒式主結構，由薄壁主艙段及上、中、下安裝板結構組成.主艙段與中間安裝板為整體加工而成，上、下安裝板與主艙段之間分別通過螺栓緊固件連接.主艙段側壁及各安裝板上通過螺栓緊固件安裝儀器設備.

3.2結構阻尼減振設計

3.2.1有限元建模及振動響應仿真

基于空間飛行器的初步結構方案，建立有限元模型，其中主艙段及安裝板結構均采用殼單元，儀器設備采用集中質量點模擬，通過MPC剛性連接方式模擬儀器設備的安裝.[11]

在模型底端面施加隨機振動激勵，有關參數[12]見表1.本文重點對飛行器控制系統2個關鍵設備的響應結果進行分析，見圖3.設備的耐受振動環境的功率譜密度值為0.4 g2/Hz，仿真結果表明，在55.2，196.6及251.0 Hz處，關鍵設備動力學響應的功率譜密度峰值均大于0.4 g2/Hz，故設備歷經的動力學環境超出設備的耐受能力，應針對這3個共振峰進行減振設計.

3.2.2結構模態分析

對飛行器結構進行模態分析，結果見表2.

由上述動力學響應分析結果與結構模態結果對比可知，關鍵設備的3處動力學響應峰值分別對應結構的第3，8和11階主振動.此3階模態振型均為上安裝板局部模態，振型見圖4.每階主振動中，上安裝板上最大相對變形的位置均不相同，由于安裝板尺寸較小，為簡化生產工藝、提高可靠性，在上安裝板外表面附加約束阻尼層，以同時降低3處響應峰值.

3.2.3阻尼減振設計

當阻尼層很薄，約束層材料和基體材料一致時，其厚度與基體厚度相等，剛度參數達到最大值，約束阻尼結構具有最好的耗能性能.[14]實際工程中，應綜合考慮重量因素來確定阻尼層厚度、約束層材料及厚度.本空間飛行器應用的阻尼層厚度為0.3 mm，選取黏彈性材料ZN1作為約束阻尼層，材料耗損因子β=1，貯能剪切模量G′=0.9 MPa；約束層剛度與上安裝板基體剛度近似一致.粘貼完成后的上安裝板試驗產品局部照片見圖5.

3.3試驗驗證

3.3.1傳遞特性結果對比

開展振動試驗獲取關鍵設備處測點在減振前后的加速度傳遞率曲線，通過對比傳遞率的變化，評價阻尼減振方案對振動的抑制效果.上安裝板附加約束阻尼前后，設備1和設備2處試驗測點的傳遞函數FRF曲線對比見圖6.各共振頻率、響應放大倍數以及減振前后放大倍數的降幅見表3.

從圖6和表3中的試驗結果可得到如下結論.

（1）由未附加約束阻尼層的試驗結果可知，設備點分別在50，72.5，212.5及247.5 Hz處放大倍數較大，其中，50，212.5及247.5 Hz分別對應原仿真結果中的55.2，196.6及251.0 Hz這3處共振峰.可見，仿真得到的共振頻率值與試驗結果之間具有較好的一致性，且每階次對應的振型相近.

（2）附加約束板導致上安裝板局部剛度增強，因此減振后結構共振頻率值提高.

（3）附加約束阻尼層后，結構阻尼系數增大，設備測點在上述3處共振峰附近的放大倍數均有不同程度的降低.其中，在第一個共振峰處，放大倍數降低有限，降低百分比小于10%；在第二個共振峰處，減振前放大倍數為2.904，在附加阻尼層后，此共振峰消失，將212.5 Hz處減振前后結果比較，減振率均超過50%；在第三個共振峰處，放大倍數的降幅分別為19.5%和32.3%.綜上可見，控制系統2設備在上述共振峰處的振動得到明顯的抑制.

3.3.2隨機振動響應結果

在試驗振動臺與飛行器地面產品對接面上施加表2中的隨機振動激勵，試驗獲取設備測點的隨機振動響應（功率譜密度曲線PSD），減振前后的試驗結果見圖7.

4結論

本文以某空間飛行器為例，基于結構模態特性和動力學響應的理論關系，提出阻尼減振設計方法.經過地面試驗驗證，結果表明：

（1）在結構材料應變最大的位置周圍布置阻尼層，可以較大限度地達到能量耗散的目的，是阻尼減振設計最有效、最經濟的方法；

（2）通過附加約束阻尼層設計，結構阻尼系數增大，結構測點在共振峰附近的放大倍數顯著降低，最大降低幅度超過90%；

（3）附加約束阻尼后，結構測點的隨機振動響應量級明顯降低，全頻段功率譜密度譜線均降至設備耐受能力范圍之內，阻尼減振設計達到預期目的.

綜上，阻尼減振設計方法可有效降低空間飛行器結構的振動，改善儀器設備的飛行環境，保證飛行試驗的成功，對各類航天器的振動抑制均具有一定的參考意義.

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（編輯武曉英）