基于柔性包袋阻尼器的蜂窩芯子暴露平臺降沖擊研究

2024-03-02 02:02:22肖望強黃自杰劉漢武錢海鯤

振動與沖擊 2024年4期

肖望強, 黃自杰, 劉漢武, 錢海鯤

(1. 廈門大學航空航天學院,福建廈門 361000; 2. 上海宇航系統工程研究所,上海 200000)

在航天工程中火工分離裝置如爆炸螺栓、解鎖螺栓、分離螺母是實現航天機構連接與分離的關鍵零部件,用于完成眾多特定的復雜動作,如星箭分離、艙段分離、太陽帆板的展開與壓緊[1-3]。暴露平臺作為搭載火工分離裝置和載荷適配器等精密儀器的構件是航天飛行器中重要組成部分,火工分離裝置在爆炸做功時會在航天器上產生具有高頻、瞬態和高量級特點的火工沖擊響應,這種沖擊對衛星的主體結構影響較小,但往往對星載設備中的敏感元器件造成損傷[4-7]。如載荷艙分離時由于火工分離裝置爆炸,起爆暴露平臺上的精密儀器將承受較大的沖擊載荷。若是沖擊載荷過大,沖擊載荷將使結構內部產生高強度的應力,造成脆性零件破碎,從而引起嚴重后果[8-10]。因此航天器上的眾多精密儀器及零部件在發射前都要對其進行沖擊響應測試,以確保關鍵零部件擁有足以承受火工爆破沖擊的強度[11-13]。

針對火工沖擊環境的降沖擊問題,國內外的科研人員進行了一系列的相關研究。Barrett等[14]通過在連接面添加不同截面、材料的緩沖墊片用于吸收爆炸產生的應力波,測試了不同方案的連接組合對整體結構的降沖擊性能,試驗結果表明該方式可有效降低高頻段的火工沖擊響應幅值。美國CAS公司[15]研究設計了航天器系統級寬頻帶振動隔離系統,該系統是由大量的大阻尼褶皺和孔狀結構組成的環形隔振圈,用于衰減火工環境中的爆炸沖擊載荷,之后的一系列沖擊響應試驗表明該系統可有效低頻段的瞬態振動響應幅值,且整體在火工沖擊試驗中的表現良好。任懷宇[16]在隔振層界面添加黏彈性阻尼層用于改變整體結構的阻尼特性,使火工爆炸沖擊在經過隔振層時可以得到有效的衰減。

針對火工沖擊載荷過大的問題,首次提出將柔性包袋阻尼器運用于暴露平臺的降沖擊研究。夢天載荷倉暴露平臺內部是由大量的蜂窩孔構成,在暴露平臺的蜂窩孔中填充大量的柔性包袋,增加火工沖擊應力波在傳遞過程中歷經的不連續節點,可有效降低目標區域的沖擊響應幅值。同時,柔性包袋阻尼器的柔性約束層可有效吸收粒子間的非彈性碰撞而產生的能量,有效降低傳統剛性約束阻尼結構回傳到主系統的振動與沖擊。特別是在太空微重力中,柔性包袋碰撞阻尼技術中粒子外部的柔性約束層可對粒子間碰撞效率起到有效的增幅[17-19]。因此,柔性包袋阻尼技術在火工沖擊環境中有著良好的適用性。

針對夢天載荷艙暴露平臺降沖擊的研究需求,對暴露平臺的特征單元進行耗能分析,獲取柔性包袋阻尼器的最優參數,并對暴露平臺進行火工沖擊試驗,結果表明,柔性包袋阻尼器有效降低了暴露平臺所受到的火工沖擊,并成功將該技術運用于夢天載荷艙,為我國航天工程中的火工沖擊防護領域提供了重要的技術保障。

1 柔性包袋阻尼器的蜂窩芯子模型的建立

以載荷艙暴露平臺為降沖擊研究對象,設計基于暴露平臺的柔性包袋阻尼降沖擊系統。柔性包袋阻尼降沖擊系統的主要研究內容為:通過離散元軟件EDEM建立基于柔性包袋阻尼系統暴露平臺動力學模型和有限元柔性體法建立柔性邊界膜系統,分析粒子參數如粒子粒徑、粒子填充率、粒子材質等對耗能效果的影響,確定較優的柔性包袋阻尼系統參數;通過仿真計算,得到降沖擊效果較優的粒子參數;最終通過試驗驗證基于暴露平臺的柔性包袋阻尼降沖擊系統的降沖擊效果。

本文采用軟球模型,在引入彈性系數和阻尼系數后可以通過單元間的重疊量來求取粒子間的接觸力,后經中心差分迭代獲取離散體的運動形態。暴露平臺在受到沖擊時,蜂窩芯子阻尼系統中的某粒子在某一時刻的運動方程

(1)

式中:mi為粒子質量;Ii為粒子慣性矩;pi,φi分別為粒子的位移和角位移矢量;Fnij,Fsij為粒子i和單元j之間的法向和切向接觸力;Tij為切向接觸力產生的扭矩;ui為某一時刻與單元i接觸的單元數量。基于Hertz接觸理論,蜂窩芯子阻尼系統接觸力模型如圖1所示。

圖1 柔性包袋阻尼系統粒子接觸模型

粒子間的接觸力[20]

(2)

(3)

本文在柔性包袋阻尼器中填充單一材質和單一粒徑的粒子,根據Hertz接觸理論,彈性系數kn、ks可確定為

(4)

(5)

式中:E和v分別為接觸單元的彈性模量和泊松比;R為粒子半徑。

在臨界阻尼狀態,機械能衰減速度最快,此時臨界法向阻尼系數Cn和切向阻尼系數Cs分別為

(6)

柔性邊界膜與粒子間的接觸力[21]

(7)

柔性邊界膜與蜂窩壁間的接觸力

(8)

式中:δ為兩接觸單元的縱向切深位移;knp,knd為接觸剛度;cnp,cnd為阻尼系數;m1為剛度指數;m2為缺口指數;m3為阻尼指數。

摩擦力計算公式為

ff1=μ(v)|fn1| (P-F)

(9)

ff2=μ(v)|fn2| (F-D)

(10)

式中,摩擦因數μ取決于靜態門檻速度、動態門檻速度、靜摩擦因數的數值。式(1)～式(10)中,P-P代表粒子與粒子,P-F代表粒子與柔性膜, F-D代表柔性膜與阻尼器壁。

2 柔性包袋系統阻尼器的耗能計算

2.1 柔性包袋阻尼系統的耗能機理

本文是通過研究配置不同類型的柔性包袋阻尼器對暴露平臺降沖擊效果的影響,探尋不同類型的柔性包袋阻尼器的耗能效果。柔性包袋阻尼器中粒子在與接觸單元發生碰撞時進行耗能,通過粒子與接觸單元的相互摩擦和沖擊進行動量交換。

非彈性碰撞耗能表示為

(11)

(12)

(13)

式中:v為兩接觸單元的相對速度;e為粒子恢復系數。

摩擦耗能表示為

ES(P-P)=μFnxs(P-P)

(14)

ES(P-F)=μfn1xs(P-F)

(15)

ES(F-D)=μfn2xs(F-D)

(16)

式中:μ為兩單元間的摩擦因數;xs為兩單元間的切向相對位移。

故總耗能表示為

E=∑EC(P-P)+∑EC(P-F)+∑ES(P-P)+∑ES(P-F)

(17)

同時

E=∑EC(F-D)+∑ES(F-D)

(18)

2.2 沖擊載荷及接觸參數設置

火工沖擊載荷具有高頻、瞬態、寬頻帶、高結構驅動阻抗等特點,在對火工沖擊載荷的耦合仿真信號輸入時,不能以簡單的半正弦波來模擬。根據GJB150A中的相關規定,在特征單元底面創建平動副,通過3次多項式逼近海塞階躍的樣條擬合函數加載火工沖擊信號,其有效沖擊時長為0.03 s,具體火工載荷如圖2所示。

圖2 火工沖擊載荷加速度時間歷程

蜂窩芯子暴露平臺采用蜂窩鋁材料制造而成,柔性包袋膜材料型號為LVF200G278V,通過材料屬性加載仿真模型,具體材料參數[22]如表1所示。

表1 蜂窩鋁及柔性邊界膜材料參數

接觸類型采用Flexsurface to Flexsurface,該接觸類型算法是基于罰函數通過將碰撞動作分解為多個增量步,通過檢索每個增量步間的碰撞行為計算其穿透量及接觸力等動力學參數。具體接觸參數[23]如表2所示。

表2 蜂窩壁及柔性邊界膜接觸參數

2.3 柔性包袋阻尼器中粒子材質的確定

在柔性約束阻尼系統中,粒子材質密度、粒子剪切模量、泊松比以及粒子彈性恢復系數影響整體的阻尼效應,故在選擇粒子材質時可通過離散元法計算柔性約束阻尼系統的耗能效應以確定最優粒子材質。在柔性包袋阻尼器中分別填充鐵基合金材質、陶瓷材質、鎢基合金材質、鉛基合金材質的粒子進行仿真分析,其中,粒子粒徑為2 mm,填充率為90%,柔性包袋邊界膜厚為2 mm,粒子材料參數[24]如表3所示。對裝載不同材質的柔性包袋阻尼器施加火工載荷以進行數值仿真計算,添加不同粒子材質的柔性包袋阻尼器如圖3所示。

表3 粒子材質參數

圖3 不同粒子材質的柔性包袋阻尼器

對不同材質的柔性包袋阻尼器進行數值分析時,通過邊界條件輸入模塊對柔性包袋阻尼器進行底面約束,同時加載接觸參數和沖擊載荷。添加不同材質對應的材料屬性參數和柔性包袋膜、蜂窩芯子材料屬性進行柔性包袋阻尼器的耗能計算,獲得不同材質的柔性包袋阻尼器的耗能值如圖4和表4所示。

表4 不同粒子材質的總耗能值

圖4 不同粒子材質的柔性包袋阻尼器耗能值

由耗能結果可得,四種材料在各個時間步內的耗能值和總耗能值的對比下,鐵基合金均為最優,鎢基合金次之,陶瓷粒子和鉛基合金粒子效果較差。同時對比耗能結果排名第二的鎢基合金,鐵基材質的密度更低,擁有更好的降沖擊性價比,故對于柔性包袋阻尼系統的粒子介質的選型中,優先考慮鐵基合金。

2.4 柔性包袋阻尼器中粒子粒徑的確定

柔性約束粒子沖擊阻尼技術的耗能機理是通過在一定空間內的粒子相互碰撞和摩擦以及粒子與柔性邊界膜之間的非彈性碰撞及摩擦而形成。故粒子粒徑的大小會對能量耗散結果產生重大的影響。柔性包袋阻尼系統不同粒徑的耗能模型如圖5所示。

圖5 填充不同粒徑粒子的柔性包袋阻尼器

通過在柔性包袋阻尼器內填充不同粒徑的粒子介質進行耗能仿真,粒徑取值分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm。其中粒子材質選擇為前文耗能仿真中效果最優的鐵基合金,柔性包袋阻尼器的填充率設置為90%,柔性包袋膜厚為0.2 mm。通過不同粒徑的柔性包袋阻尼器的耗能仿真,獲得耗能結果如圖6和表5所示。

表5 不同粒徑的總耗能值

圖6 不同粒徑下的耗能圖

由耗能結果可知,隨著粒子粒徑的增大,系統耗能情況總體上呈先增大后減小的規律,且當阻尼粒子粒徑約為1.5～2.5 mm時,該結構的耗能值較大,在粒徑為2.0 mm時耗能值達到最大。柔性約束邊界內的容腔體積中,若采用的粒子粒徑過小,雖有益于粒子間碰撞摩擦次數的提升,但是單次碰撞、摩擦產生的沖擊、摩擦耗能做功也隨之變小,并不能得到最優的耗能結構。若采用粒子粒徑過大,單次碰撞及摩擦產生的耗能做功變大的同時會使得整個柔性約束阻尼系統的摩擦、碰撞次數降低,亦非最優解。過大的粒子粒徑或過小的粒子粒徑都不能使得柔性包袋阻尼器能量耗散結果最大化,這便是粒子粒徑的耗能結果隨著粒徑的增大先上升后下降的內在機理,故根據耗能結果,粒子介質粒徑選型應為2.0 mm以使柔性包袋阻尼器整體耗能結果最佳。

2.5 柔性包袋阻尼器中粒子填充率的確定

柔性包袋阻尼系統中粒子的填充率是影響耗能結果的一個重要因素,故對柔性包袋阻尼器的填充率進行參數標定是耗能仿真中極為重要的一環,不同填充率的耗能模型如圖7所示。

圖7 不同填充率的柔性包袋阻尼器

對柔性包袋阻尼器加載不同的填充率,分別為60%、70%、80%、85%、90%、95%、98%,粒子材質和粒徑選取前文最優的2.0 mm鐵基合金粒子,柔性包袋膜厚選取0.2 mm,通過對不同填充率的柔性包袋阻尼器的數值仿真,獲得其耗能結果如圖8和表6所示。

表6 不同填充率的總耗能值

圖8 不同填充率下柔性包袋阻尼器的耗能情況

根據耗能結果,填充率為95%時耗能結果最優。粒子填充率較低時,粒子在柔性包袋膜內的運動流態為慣性流,不容易形成穩定力鏈,故耗能效果較差;當粒子的填充率較高時,其運動流態為彈性流,所形成的力鏈網絡穩定堅固,粒子間頻繁發生碰撞達到較好的耗能效果;填充率過高(98%)會導致粒子運動空間受限,同樣降低耗能效果。隨著粒子填充率的不斷提高,耗能效果呈現先增加后減小的趨勢, 95%的填充率使柔性包袋阻尼器的耗能結果最佳。

2.6 柔性包袋阻尼器中柔性膜厚度的確定

柔性約束粒子沖擊阻尼技術的耗能效果與粒子間的阻尼效應及柔性邊界膜緩沖吸能息息相關,而柔性邊界膜與粒子間的碰撞阻尼效應除了與粒子的物理屬性相關外,還與柔性邊界膜的厚度有著密切關系。通過對柔性包袋阻尼器的邊界膜厚度進行仿真分析,以確定其最優耗能膜厚,不同柔性邊界膜厚的耗能模型如圖9所示。

圖9 不同厚度的邊界膜耗能模型圖

對柔性包袋阻尼器的仿真模型加載不同厚度的柔性邊界膜,其厚度分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm,粒子參數為前文最優的參數選取,材質選擇鐵基合金,粒徑選取2.0 mm,填充率設置為95%。通過對柔性包袋阻尼器不同膜厚的是指仿真,獲得其耗能結果如圖10和表7所示。

表7 不同膜厚的總耗能值

圖10 不同膜厚下柔性包袋阻尼器的耗能情況

經過仿真計算得出不同厚度柔性膜的耗能結果可知,柔性膜厚度與耗能值并非呈正相關,耗能曲線在膜厚達到0.2 mm時耗能值最大,故最優膜厚為0.2 mm。若是柔性包袋膜的厚度過小,粒子與柔性邊界發生的碰撞耗能較小,且粒子間的碰撞動能會經過邊界膜回傳至主結構上導致整體的沖擊響應幅值較大。若是柔性邊界膜厚度過大則會導致阻尼系統中粒子的碰撞耗能減小,減少粒子系統中的單次碰撞耗能及整體碰撞次數,亦無法達到較優的效果。故根據耗能結果,應選取0.2 mm膜厚最為柔性包袋阻尼器的最優參數。

3 暴露平臺沖擊試驗

為了對柔性包袋阻尼系統的降沖擊效果進行驗證,故設計了基于輕氣炮的暴露平臺沖擊試驗臺架用于測試其沖擊響應。沖擊測試試驗系統主要包括輕氣炮、北京東方所的INV信號采集系統、加速度傳感器、DASP信號分析軟件等。降沖擊測試原理圖如圖11所示。

圖11 試驗臺原理圖

試驗用柔性繩索將暴露平臺吊在懸掛架上,使暴露平臺處于一個類似太空微重力的環境中。試驗先對未安裝柔性包袋阻尼器的暴露平臺進行沖擊加載,測得未安裝柔性包袋阻尼器的暴露平臺的沖擊響應譜。繼而對填充了柔性包袋阻尼器的暴露平臺進行沖擊試驗,獲得暴露平臺安裝柔性包袋阻尼器后的沖擊響應譜。柔性包袋阻尼器的安裝方式為圍繞沖擊激勵點四周安裝,安裝寬度為30.0 mm,裝填的柔性包袋阻尼器數量為375個,總質量約為1 400 g。輕氣炮如圖12(a)所示,暴露平臺如圖12(b)所示,未安裝柔性包袋阻尼器的暴露平臺內部圖如圖12(c)所示。安裝柔性包袋阻尼器的暴露平臺內部圖如圖12(d)所示。

圖12 暴露平臺沖擊試驗

3.1 粒子材質的驗證

本節研究了不同粒子材質對柔性包袋阻尼器降沖擊效果的影響,通過在暴露平臺中裝填寬度為30.0 mm的柔性包袋阻尼器并施加沖擊載荷,在精密儀器所在的目標點位獲取動態響應結果。試驗設計了五種工況,分別測試了未安裝柔性包袋阻尼器和裝填不同粒子材質柔性包袋阻尼器的暴露平臺。粒子類型分別為鐵基材質粒子、鎢基材質粒子、陶瓷基粒子、鉛基合金粒子,通過對暴露平臺進行沖擊試驗,探索不同粒子材質對柔性包袋阻尼器降沖擊效果的影響。其中,柔性包袋阻尼器的其他參數皆相同,粒子粒徑為2.0 mm,粒子填充率選取95%,柔性邊界膜厚度選取0.2 mm。

通過沖擊載荷激勵,測得未安裝柔性包袋阻尼器的暴露平臺目標點位處沖擊響應譜的最大峰值出現在3 000～4 000 Hz頻段,最大峰值為4 211.91g。當安裝的柔性包袋阻尼器粒子材質為鉛基合金時,暴露平臺在沖擊載荷激勵下的沖擊響應譜最大峰值為3 443.24g,與未安裝柔性包袋阻尼器的沖擊響應譜最大峰值相比,降沖擊效果達到18.25%。當安裝的柔性包袋阻尼器粒子材質為陶瓷基時,暴露平臺在沖擊載荷激勵下的沖擊響應譜最大峰值為3 144.61g,與未安裝柔性包袋阻尼器的沖擊響應譜最大峰值相比,降沖擊效果達到25.34%。當安裝的柔性包袋阻尼器粒子材質為鎢基合金時,暴露平臺在沖擊載荷激勵下的沖擊響應譜最大峰值為2 288.33g,與未安裝柔性包袋阻尼器的沖擊響應譜最大峰值相比,降沖擊效果達到45.67%。當安裝的柔性包袋阻尼器粒子材質為鐵基合金時,暴露平臺在沖擊載荷激勵下的沖擊響應譜最大峰值為1 763.53g,與未安裝柔性包袋阻尼器的沖擊響應譜最大峰值相比,降沖擊效果達到58.13%,沖擊響應譜如圖13所示。

圖13 安裝不同材質柔性包袋阻尼器的沖擊響應譜

從粒子的材質上來看,鐵基材質柔性包袋阻尼器的降沖擊效果優于其他材質的柔性包袋阻尼器,效果十分明顯。將試驗結果與仿真結論進行對比,如圖14所示, 均證明了鐵基粒子柔性包袋阻尼器具有最優的降沖擊效果。

圖14 試驗與仿真對比圖

3.2 粒子粒徑的驗證

本節研究了不同粒子粒徑對柔性包袋阻尼器降沖擊效果的影響,通過在暴露平臺內部裝填寬度為30.0 mm的柔性包袋阻尼器并施加沖擊載荷,在精密儀器所在的目標點位獲取動態響應結果。

試驗設計了3種工況,分別在暴露平臺中裝填粒子粒徑為1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm的柔性包袋阻尼器,通過對暴露平臺進行沖擊試驗,探索不同粒子粒徑對柔性包袋阻尼器降沖擊效果的影響。其中,柔性包袋阻尼器的其他參數皆相同,粒子材質為鐵基合金,粒子填充率選取95%,柔性邊界膜厚度選取0.2 mm。

通過沖擊載荷激勵,測得安裝了粒徑為1.0 mm的柔性包袋阻尼器的暴露平臺在沖擊激勵下的沖擊響應譜最大峰值出現在3 000～4 000 Hz頻段,最大峰值為2 546.52g,與未安裝柔性包袋阻尼器的沖擊響應譜最大峰值相比,降沖擊效果達到39.54%。安裝粒徑為2.0 mm的柔性包袋阻尼器的暴露平臺在沖擊激勵下的沖擊響應譜最大峰值為1 763.53g,與未安裝柔性包袋阻尼器的沖擊響應譜最大峰值相比,降沖擊效果達到58.13%。安裝粒徑為3.0 mm粒子的柔性包袋阻尼器的暴露平臺在沖擊載荷激勵下的沖擊響應譜最大峰值為2 977.4g,與未安裝柔性包袋阻尼器的沖擊響應譜最大峰值相比,降沖擊效果達到29.31%,沖擊響應譜如圖15所示。