空間桁架結構減振設計與試驗驗證

駱海濤，富 佳，王 鵬，王 巍，陳 寧

（1.中國科學院 沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，沈陽 110016；2.東北大學 機械工程學院，沈陽 110819）

隨著航天器朝著大型化、復雜化的方向發展，空間桁架由于容易拆裝、工藝性好、質量輕，且可以根據具體的需要進行結構的調節等優良屬性得到了越來越廣泛的應用，它也是國際空間站重要組成部分。空間桁架的主要應用在兩個方面，一個是在空間桁架最頂端連接相關的光電學設備，用來分離電子設備從而降低相互間干擾；另一個是作為支撐結構，支撐空間大型可展開天線和衛星上的太陽帆板等。航天載荷里面裝有精密光電學儀器，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載火箭發射升空，運載火箭在發射過程中所經歷的振動環境主要分為隨機振動環境和低頻正弦振動環境。隨機振動主要是由起飛時的發動機排氣噪聲、跨音速飛行段的氣動噪聲和發動機燃燒室內的壓力脈動等所引起的寬帶隨機振動。低頻正弦振動主要是由pogo振動，發動機啟動、熄火和級間分離所引起的彈體結構低階模態自由振蕩，由陣風和跨音速飛行段激波振蕩所引起的彈體橫行抖動，發動機不完全燃燒引起的低階縱向振蕩。這種低頻的振動環境會使空間桁架結構遭到損壞，發生連接松散，結構件變形，性能下降的現象，同時這種振動會使光電學儀器精度下降，機械疲勞，電路瞬間短路、斷路，甚至功能失效[1]。因此，對空間桁架及其載荷振動特性與振動抑制的研究很有必要[2-4]。

本文根據實際工程需要，采用在空間桁架管狀結構上敷加黏彈性阻尼層的方法進行減振[5]。黏彈性阻尼層形式簡單，不需要改動現有結構，質量輕，粘貼方便，阻尼性能優越，使用較少的材料就能達到較大的減振效果[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用到整個大型空間桁架中。航天載荷是航天精密光電學儀器的載體，這些儀器對于宇航員的空中作業和航天事業的發展都起到關鍵性的作用。

傳統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，剛度較大導致減振效果不佳。本文介紹的一種打斷長管結構，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。這種結構和傳統直接在長管上敷加約束阻尼層的結構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，從而達到最佳的減振效果。

1 黏彈性阻尼材料的動態力學特性

彈性材料在被施加外力之后，其應力和應變幾乎是同時增加或減小，二者的相位基本一致，應力-應變關系是一條直線，黏彈性阻尼材料和彈性材料不同，在被施加外力之后，應變滯后于應力[10-11]，滯后相位角為α，如圖1(a)所示。應力-應變關系表現為一條曲線，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構經過振動后黏彈性材料消耗掉的振動能量，當黏彈性材料受到外界載荷作用產生彈性變形時，其應力-應變關系的數學表達式為

圖1 黏彈性材料應力應變關系

這里采用復模態法來描述黏彈性阻尼材料性能，根據復模量定義（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拉伸模量；Ε′是黏彈性阻尼材料復拉伸模量的實部，Ε″是黏彈性阻尼材料復拉伸模量的虛部，它決定了黏彈性阻尼材料消耗能量的多少。

2 空間桁架復合結構

空間桁架及其航天載荷結構的三維模型，如圖2所示。

圖2 空間桁架及其航天載荷結構

整個結構由長管、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。參試結構總重15.848 kg，材質為航天硬鋁合金7075。

航天載荷箱體結構外部采用板狀結構，內部為中空結構，各個面之間通過螺釘進行連接，連接方塊六個面開有螺紋孔，通過螺釘和連接件、箱體結構進行連接；除了和箱體結構，工裝接觸的八個面，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個連接方塊通過螺釘和工裝連接，而工裝通過螺釘和振動臺連接。

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 振動試驗

試驗對象是原始長管的空間桁架結構與打斷長管式新結構，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

試驗系統包括：激振系統、測試系統、數據采集系統和數據處理系統。試驗裝置包括振動臺、控制儀、功率放大器、64通道B&K3660-D數據采集儀、B&K4508-B加速度傳感器和電腦等。振動試驗及分析的基本步驟如圖4所示，振動控制儀輸出的正弦掃頻控制信號經功率放大器放大之后傳遞給振動臺，電磁振動臺分別沿X向、Y向和Z向激勵空間桁架和航天載荷結構，各測量通道的加速度響應信號經過濾波和放大采集到電腦，經平均處理和分析，得到0～200 Hz范圍內各測點加速度曲線。

圖4 振動試數據處理流程圖

通過對原結構和新結構進行X、Y和Z方向的正弦掃頻試驗，來評估兩個方案的減振效果。試驗過程中的照片如圖5所示。

圖5 振動試驗現場照片

原空間桁架和航天載荷結構與打斷長管式新結構在X、Y和Z方向激勵下的載荷上同一加速度測點的加速度響應曲線，如圖6－圖8所示。

圖6 X方向測點的加速度響應曲線

圖7 Y方向測點的加速度響應曲線

這里，對空間比較關注的縱向激勵情況下的減振效果進行分析。空間桁架的原始設計方案與打斷長管式新方案在3個方向激勵下載荷同一測點的加速度響應結果對比，如表2所示。

表1 阻尼層和約束層材料屬性

表2 Z方向試驗加速度響應對比

圖8 Z方向測點3加速度響應曲線

通過兩個設計方案的試驗數據對比，可以看出打斷長管式結構在0 Hz到200 Hz范圍內在X、Y、Z三個方向上的加速度響應和最大加速度響應頻率與原空間桁架結構相比均有降低，但共振頻率略有所降低。其中X向對應加速度最大響應頻率從18.25 Hz降到15.84 Hz，Y向對應加速度最大響應頻率從22.64 Hz降到19.42 Hz，Z向對應加速度最大響應頻率從132.75 Hz降到117.85 Hz。空間桁架和航天載荷結構在Z向的減振效果最為明顯，加速度響應峰值最多降幅可達53.7%以上。

4 結語

本文介紹了一種打斷長管式空間桁架及其航天載荷結構，并通過采用敷加黏彈性阻尼層對其進行減振設計。根據實際工況條件，對原始模型和新模型兩種方案進行了振動試驗分析，得到了打斷長管式新方案結合在其連接處敷加約束阻尼層的方法對于航天載荷的減振效果更明顯，質量也更輕的結論，并驗證了新方案的可行性。另外，通過振動試驗數據分析，使得黏彈性阻尼層在空間桁架和航天載荷結構上的減振效果有了更加直觀和準確的評價，對于黏彈性阻尼材料在空間桁架結構和類似航天器上的應用具有重要的借鑒和指導意義。