一種新型復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)

張少輝 陳海峰 張曉莉 柴洪友

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

一種新型復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

針對(duì)復(fù)合材料桿阻尼偏小的問(wèn)題，文章提出了一種新型復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)，通過(guò)將約束層分段來(lái)增大黏彈阻尼層的剪切變形，在保證較高軸向剛度的同時(shí)，大幅度提升了桿的軸向阻尼。完成了復(fù)合材料黏彈阻尼桿的設(shè)計(jì)、制造與模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果顯示：該阻尼桿一階軸向模態(tài)阻尼相比無(wú)阻尼桿提高了23.7倍，且軸向剛度相比無(wú)阻尼桿未有下降，驗(yàn)證了阻尼桿設(shè)計(jì)的合理性；此外，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明了阻尼分析模型的正確性。該阻尼桿設(shè)計(jì)可應(yīng)用于航天器中各類撐桿或桁架結(jié)構(gòu)，以改善系統(tǒng)的阻尼特性，降低航天器結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下的響應(yīng)。

復(fù)合材料；黏彈阻尼桿；有限元

1 引言

在航天領(lǐng)域，復(fù)合材料桿系結(jié)構(gòu)以其承載效率較高、構(gòu)型自由、設(shè)計(jì)和分析簡(jiǎn)單等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是適用于大跨距、高穩(wěn)定復(fù)合材料的桁架結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的阻尼雖然優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬材料，但在應(yīng)用中仍顯偏低[1-2]，出于減振和提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的需要，有必要對(duì)其做進(jìn)一步的改進(jìn)，以提高其結(jié)構(gòu)阻尼。桿件結(jié)構(gòu)一般可通過(guò)常規(guī)的約束阻尼來(lái)提高彎曲模態(tài)阻尼[3-5]，如詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)平臺(tái)與光學(xué)有效載荷之間設(shè)計(jì)的隔振系統(tǒng)由4根復(fù)合材料阻尼桿組成[6]，美國(guó)TRW航天電子集團(tuán)為保證星上精密光學(xué)部件的正常工作，在星體與光學(xué)有效載荷之間設(shè)計(jì)了隔振系統(tǒng)[7]，該系統(tǒng)由3根復(fù)合材料阻尼桿件組成，實(shí)現(xiàn)了在較低頻率下的隔振。上述復(fù)合材料阻尼桿采用了約束阻尼結(jié)構(gòu)形式，均可提高復(fù)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(jié)構(gòu)中，桿件一般承受拉壓載荷，所以增加關(guān)鍵位置桿件在拉壓載荷作用下的軸向阻尼，對(duì)提高整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)阻尼特性最為有利。1997年發(fā)射的由美國(guó)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(dòng)響應(yīng)。其特點(diǎn)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(yīng)用范圍。

本文提出了一種同時(shí)具備較高軸向阻尼和剛度的新型復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)，克服了現(xiàn)有阻尼桿軸向剛度下降較多的缺點(diǎn)，可用于結(jié)構(gòu)主傳力路徑，通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了阻尼桿的設(shè)計(jì)與分析，此阻尼桿設(shè)計(jì)可應(yīng)用于航天器各類撐桿、桁架結(jié)構(gòu)，以提高航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼。

2 新型復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)

為了提高復(fù)合材料桿件的軸向阻尼，一般采用增加阻尼層的方法，其機(jī)理是通過(guò)阻尼層的剪切變形來(lái)?yè)p耗振動(dòng)能量，設(shè)計(jì)關(guān)鍵是如何增大承受軸向拉壓載荷時(shí)的阻尼層應(yīng)變能。眾所周知，對(duì)于膠接管接頭來(lái)說(shuō)，膠層的剪切變形僅在接頭兩端的有限長(zhǎng)度范圍內(nèi)較明顯。基于上述變形特點(diǎn)，考慮到桿件軸向變形小且沿桿長(zhǎng)度方向相對(duì)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(shè)計(jì)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(shí)的應(yīng)變能和能量損耗。

本文提出的新型復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)方法如下。

(1)沿桿長(zhǎng)度方向上進(jìn)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(qiáng)碳纖維復(fù)合材料，約束層選擇高模量碳纖維復(fù)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(yīng)變能損耗，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)阻尼。

(2)將復(fù)合材料桿本體進(jìn)行分段開(kāi)槽。利用膠接接頭處膠層剪切應(yīng)力分布特點(diǎn)，受應(yīng)力集中因素影響，阻尼層在開(kāi)槽處獲得了較高的剪切效應(yīng)，增加了剪切變形能量損耗，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)阻尼；同時(shí)通過(guò)合理設(shè)計(jì)本體鋪層，保證桿在承受縱向拉壓載荷時(shí)的強(qiáng)度滿足使用要求。

(3)通過(guò)分段長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)軸向阻尼的大幅提高。通過(guò)上述設(shè)計(jì)，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(qiáng)度下降較多的缺點(diǎn)。

復(fù)合材料阻尼桿的設(shè)計(jì)要求是在滿足強(qiáng)度要求的前提下，使阻尼和剛度達(dá)到最優(yōu)。桿件本體采用高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，先進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，確定原始桿件的鋪層，然后再進(jìn)行阻尼化設(shè)計(jì)，采用高模量碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為約束層，通過(guò)數(shù)值分析，優(yōu)化阻尼層和約束層的厚度及分段長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料桿件的阻尼化。通過(guò)基于模態(tài)應(yīng)變能法的阻尼特性數(shù)值優(yōu)化，復(fù)合材料黏彈阻尼桿的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：桿本體層選用高強(qiáng)T700/環(huán)氧樹(shù)脂648復(fù)合材料，長(zhǎng)度為550 mm，桿壁的內(nèi)徑為12 mm，鋪層順序?yàn)閇±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(gè)U型槽，如圖1所示，圖1中1表示桿件，2表示法蘭。每個(gè)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(shù)脂共混而成，已廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)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(shù)脂648復(fù)合材料，鋪層順序?yàn)閇0°3/±45°]，單層厚度0.125 mm。采用上述設(shè)計(jì)的阻尼桿軸向振動(dòng)時(shí)，在高模量分段約束層作用下，黏彈阻尼層在桿本體開(kāi)槽處兩側(cè)的剪切效應(yīng)將會(huì)增大，從而實(shí)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(fù)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(kāi)槽采用激光切割工藝。對(duì)于60°、45°的鋪層，采用纏繞成型工藝；對(duì)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(jī)進(jìn)行搓管，盡可能排出預(yù)浸料層與層間包裹進(jìn)去的空氣。

圖1 復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 A schematic view of composite viscoelastic damped strut

圖2 復(fù)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(fù)合材料黏彈阻尼桿建模

基于有限元法的模態(tài)應(yīng)變能法(Modal Strain Energy Method, MSE)是黏彈阻尼結(jié)構(gòu)分析的最常用方法[10-11]，通過(guò)模態(tài)分析確定模態(tài)矢量，然后，通過(guò)結(jié)構(gòu)損耗應(yīng)變能與總應(yīng)變能之比來(lái)確定阻尼結(jié)構(gòu)的損耗因子。基于應(yīng)變能法，阻尼結(jié)構(gòu)的第r階模態(tài)阻尼比可表示為[12]

(1)

圖3 ZN-1動(dòng)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(jì)算流程圖 Fig.4 Flow of the modal damping ratio prediction

本文使用ANSYS7.0軟件進(jìn)行復(fù)合材料黏彈阻尼桿的有限元建模，選用的單元為SOLID46[18]，復(fù)合材料約束阻尼結(jié)構(gòu)有限元模型的單元連接關(guān)系如圖5所示，根據(jù)上述設(shè)計(jì)，復(fù)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(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 Finite element model of structure with constrained damping

圖6 復(fù)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(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證復(fù)合材料黏彈阻尼桿的設(shè)計(jì)，獲取一階軸向模態(tài)阻尼比，設(shè)計(jì)了模態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)還包含了相同尺寸的無(wú)阻尼復(fù)合材料桿的軸向模態(tài)阻尼比測(cè)試。試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，桿件一端固支，另一端自由，為了降低桿的軸向振動(dòng)頻率，需要在桿的自由端附加配重塊，通過(guò)預(yù)分析，不失一般性，配重塊質(zhì)量選為5.0 kg。在配重塊象限線位置上布置4個(gè)三向加速度傳感器(根據(jù)加速度信號(hào)，可判斷桿振動(dòng)是否沿軸線方向)，沿桿長(zhǎng)度方向的1/3位置處布置2個(gè)三向加速度傳感器。模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，由圖7可知，復(fù)合材料黏彈阻尼桿模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)由力錘、試驗(yàn)件(配重塊、復(fù)合材料黏彈阻尼桿)、數(shù)據(jù)采集器、加速度計(jì)等組成。采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)拾振的方法獲取模態(tài)參數(shù)，用力錘沿垂直方向激勵(lì)試驗(yàn)件，將力激勵(lì)信號(hào)和加速度響應(yīng)信號(hào)導(dǎo)入LMS TEST Lab模態(tài)識(shí)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(fù)合材料黏彈阻尼桿模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.7 A schematic of modal test arrangement for compoiste viscoelastic damped strut

復(fù)合材料黏彈阻尼桿的模態(tài)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比見(jiàn)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(jìn)行阻尼處理的復(fù)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(fù)合材料黏彈阻尼桿在保持較高軸向剛度的同時(shí)，較好地改善了復(fù)合材料桿的拉壓阻尼特性。另外，模態(tài)阻尼比分析結(jié)果與試驗(yàn)值存在12%的誤差，而頻率分析結(jié)果與試驗(yàn)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(jié)構(gòu)的阻尼特性分析。

表1 模態(tài)測(cè)試結(jié)果與分析值的比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)，完成了阻尼桿的制造與試驗(yàn)驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)在復(fù)合材料桿長(zhǎng)度方向上進(jìn)行分段約束阻尼處理，通過(guò)合理選擇桿本體層和約束層的材料、優(yōu)化分段長(zhǎng)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(shí)，實(shí)現(xiàn)了軸向阻尼的大幅提高。模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：該復(fù)合材料阻尼桿相比無(wú)阻尼桿，軸向阻尼可提高23.7倍；此外，阻尼和頻率分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了本文數(shù)值模型的正確性。本復(fù)合材料黏彈阻尼桿設(shè)計(jì)可應(yīng)用于衛(wèi)星各類撐桿、桁架式結(jié)構(gòu)，有效改善系統(tǒng)的阻尼特性，降低動(dòng)載作用下的響應(yīng)。

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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(guó)家重大航天工程

張少輝，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。Email: ime2008@126.com。

(編輯：李多)