航天支架结构的被动振动控制

重点研究了航天支架结构的被动振动控制问题。在约束阻尼层有限元模型理论分析的基础上，对未附加约束阻尼层的支架计算模态和试验模态进行了相关性分析，制定出被动振动控制策略；通过分析附加约束阻层后支架计算模态和试验模态相关性，建立了有效的支架有限元模型，进一步用于各种情况的动态响应计算和分析。计算了实验结果表明，该控制策略取得了很好的减振效果，为同类结构振动控制问题提供了一个良好的模型参考。     

蜂窝锥壳卫星适配器约束阻尼层振动抑制分析

主要研究在蜂窝锥壳卫星适配器上附加约束阻尼来抑制锥壳传递振动。尽管约束阻尼方面的研究很多，但是大多数都是针对简单的梁或者板结构，而对复杂蜂窝锥壳结构的振动抑制问题研究还很少；为此，通过对蜂窝壳的等效化处理和约束阻尼结构的有限元建模理论分析，建立起卫星一适配器结构在有无附加约束阻尼情况下的有限元模型，进一步通过模态分析和频响分析，得到不同约束阻尼层设计参数对结构振动抑制影响规律。分析结果对于经济有效的设计约束阻尼层和结构减振减重具有较好的参考价值。     

并联式承载减振一体的整星隔振研究

整星隔振是一种改善卫星振动环境的有效措施,传统整星隔振方案主要通过在卫星与火箭之间插入柔性、高阻尼结构.该方案因串联柔性元件,在实现减振的同时,也导致卫星分支(卫星、卫星支架、过渡支架)及整个运载火箭的模态频率大幅降低和卫星振动位移的显著增大.前者严重影响运载火箭飞行特别是末级飞行的稳定性;后者则会大幅减小卫星与整流罩的动态间隙,严重时可能导致卫星与整流罩碰撞.为了解决串联式整星隔振存在的问题,本文提出了一种在原主承力(过渡支架)结构中并联阻尼元件的整星隔振方案,该方案不改变卫星分支结构形式、连接关系,不影响卫星分支主承力结构的强度和刚度.根据柔性航天器的特点,建立了多自由度系统动力学模型,通过仿真分析研究了不同阻尼特性对系统共振频率附近传递特性的影响,得到了增大阻尼可有效改善系统各阶共振频率附近的振动传递特性.根据某运载火箭的外激励特点、过渡支架结构形式、卫星减振需求,设计的一种黏性阻尼器及其安装支架,通过在过渡支架均匀分布8个减振单元,构建了并联式承载减振一体的整星隔振方案,有限元分析和试验结果表明,该方案与无减振状态相比,卫星分支频率变化小于±5％,共振频率处传递特性改善30％~40％.      

并联式承载减振一体的整星隔振研究

整星隔振是一种改善卫星振动环境的有效措施,传统整星隔振方案主要通过在卫星与火箭之间插入柔性、高阻尼结构.该方案因串联柔性元件,在实现减振的同时,也导致卫星分支(卫星、卫星支架、过渡支架)及整个运载火箭的模态频率大幅降低和卫星振动位移的显著增大.前者严重影响运载火箭飞行特别是末级飞行的稳定性;后者则会大幅减小卫星与整流罩的动态间隙,严重时可能导致卫星与整流罩碰撞.为了解决串联式整星隔振存在的问题,本文提出了一种在原主承力(过渡支架)结构中并联阻尼元件的整星隔振方案,该方案不改变卫星分支结构形式、连接关系,不影响卫星分支主承力结构的强度和刚度.根据柔性航天器的特点,建立了多自由度系统动力学模型,通过仿真分析研究了不同阻尼特性对系统共振频率附近传递特性的影响,得到了增大阻尼可有效改善系统各阶共振频率附近的振动传递特性.根据某运载火箭的外激励特点、过渡支架结构形式、卫星减振需求,设计的一种黏性阻尼器及其安装支架,通过在过渡支架均匀分布8个减振单元,构建了并联式承载减振一体的整星隔振方案,有限元分析和试验结果表明,该方案与无减振状态相比,卫星分支频率变化小于±5%,共振频率处传递特性改善30%～40%.     

卫星减振的试验研究

根据某卫星发射对减振性能的要求,本文提出在适配器与星箭界面之间安装整星隔振器并且在适配器表面粘贴约束阻尼层的减振方案。并且利用振动台分别对卫星减振系统施加垂向和横向的基础激励,测量卫星上关键位置处的加速度响应,比较减振前后其频率响应特性的变化,以验证卫星减振方案的减振性能。试验结果的对比分析验证了此卫星减振系统能够隔离卫星高频段的横向和垂向振动,降低卫星结构频率响应的幅值,能够减小运载火箭发射时传递给卫星的环境载荷,提高卫星发射的可靠性。本文对于相关的航天器的减振设计具有实用的参考价值。     

附加自由阻尼结构系统的有限元分析和拓扑优化设计方法研究

给出了一种适用于车身等复杂附加阻尼结构系统的有限元建模和动态特性分析方法,包括附加自由阻尼薄壁结构和附加阻尼材料粘弹性特性的有限元建模方法以及附加阻尼结构动态特性的有限元分析方法。在此基础上,又以强迫振动响应最小为优化设计目标,给出了一个附加阻尼结构的拓扑优化设计方法,包括优化设计问题的列式和适用的求解算法。通过对一个简单薄壁构件和一个车身地板上的附加阻尼结构的拓扑优化设计,验证了提出的有限元分析和拓扑优化设计方法的有效性。     

薄壳结构噪声约束下附加阻尼层的最小成本设计

薄壳附加阻尼层旨在降低薄壳结构的噪声,为此本文研究该系统成本最小的优化设计:以包含阻尼的结构各层的倒厚度为设计变量,以满足设计的噪声要求为约束条件,以结构成本(包括约束阻尼层结构的薄壳基础层、阻尼层、约束层的材料费用)作为目标函数.利用K-S函数得到最大振动加速度级来描述噪声,运用响应面方法显式化噪声约束函数,采用序列二次规划求解优化模型.算例表明,增加阻尼层和约束层的厚度有利于增强结构的阻尼和刚度,优化设计使得薄壳结构的造价降低8.44%,且使结构的振动综合指标降低了27.08%,从而使结构减振降噪性能得到了提高.     

NEURAL NETWORK MODEL OF MAGNETORHEOLOGICAL DAMPER FOR VIBRATION ISOLATION PLATFORM OF WHOLE-SPACECRAFT

为改善星箭界面振动环境,设计六杆隔振平台,采用磁流变阻尼器作为半主动控制元件,替代原有锥壳过渡支架.对整星隔振平台用磁流变阻尼器进行性能测试,得到反映磁流变阻尼器阻尼特性的实验数据.建立具有两个隐含层的反向传播神经网络对阻尼器进行建模,用于预测磁流变阻尼器阻尼特性以及控制系统设计.提出一种串行算法优化网络结构、权值和阈值,保证网络具有较好的泛化能力和稳定性.仿真结果表明,与参数化模型相比,提出的神经网络模型具有较小的训练误差和较强的泛化能力,能够很好地预测阻尼器的阻尼特性.     

整星隔振用磁流变阻尼器神经网络模型

为改善星箭界面振动环境,设计六杆隔振平台,采用磁流变阻尼器作为半主动控制元件,替代原有锥壳过渡支架.对整星隔振平台用磁流变阻尼器进行性能测试,得到反映磁流变阻尼器阻尼特性的实验数据.建立具有两个隐含层的反向传播神经网络对阻尼器进行建模,用于预测磁流变阻尼器阻尼特性以及控制系统设计.提出一种串行算法优化网络结构、权值和阈值,保证网络具有较好的泛化能力和稳定性.仿真结果表明,与参数化模型相比,提出的神经网络模型具有较小的训练误差和较强的泛化能力,能够很好地预测阻尼器的阻尼特性.     

主动约束层阻尼圆柱壳体的振动特性研究

基于弹性、粘弹性和压电材料本构方程,应用能量法建立了主动约束层阻尼（ACLD）圆柱壳体的有限元动力学方程。通过对压电传感层自感电压的比例、微分反馈控制,对主动约束层阻尼（ACLD）圆柱壳体进行了主被动一体化振动控制,研究了复合圆柱壳体的动力学响应特性。讨论了主动约束层阻尼（ACLD）片体的位置、覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等关键参数对圆柱壳体振动特性的影响。研究表明：主动约束层阻尼（ACLD）片体的粘贴位置与模态有关,针对不同模态,应采用不同的粘贴位置;覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等直接影响到振幅衰减程度,通过对片体位置、覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等关键参数的优化,能有效降低主动约束层阻尼圆柱壳体的振动,具有十分重要的工程应用价值。     

反共振流体浮筏的隔振特性研究

基于反共振原理, 设计了一种新型的流体浮筏隔振器. 应用流体动量方程和结构振动理论推导了该隔振器的数学模型, 分析了其隔振特性, 得到了最优隔振频率和浮体浸入流体深度的关系式. 仿真结果表明, 当浮体浸入流体深度在有限的范围内变化时, 新型隔振器会在从低频到高频的宽带内发生反共振现象. 反共振条件下的力传递率可降至极低水平.流体浮筏隔振器具有很好的(尤其是低频)隔振效果.     

气动八作动器隔振平台的主动隔振研究

多自由度隔振平台可以有效地隔离运载器传递到卫星的振动载荷。本文采用气动八作动器隔振平台实现卫星的六自由度隔振。首先应用牛顿欧拉法建立了气动八作动器隔振平台的动力学模型,设计了平台的主动控制律,然后对平台的主、被动隔振特性进行了仿真分析。仿真分析和实验结果显示主动隔振使平台各方向的低频隔振性能均得到改善。     

整星被动多杆隔振平台研究

整星振动隔离是降低作用于卫星的振动载荷的有效方法.本文了采用多杆隔振平台来实现整星隔振,利用牛顿欧拉法建立了考虑基础运动和支杆转动惯量的隔振平台的动力学模型,分析了平台放置刚性卫星和柔性卫星的振动传递率,分析结果表明隔振平台可以有效的隔离来自于基础的振动.     

带非线性弹簧的两自由度准零刚度隔振系统力传递率特性

基于多自由度系统中的反共振特性,分别在传统线性隔振系统的上、下两层引入非线性倾斜弹簧负刚度机构,构成两自由度准零刚度隔振器。通过静态特性分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数之间的关系,分析了力学参数及结构参数对系统刚度特性的影响。建立两自由度准零刚度隔振系统的非线性动力学方程,利用平均法求解,推导出力传递率表达式,结合数值分析方法,探讨系统在不同的上、下层隔振器阻尼比、竖直刚度比及质量比情况下的力传递率特性,并与单自由度准零刚度隔振系统及线性斜弹簧两自由度准零刚度隔振系统进行对比研究。结果表明：当结构参数 （即：倾斜弹簧处于静平衡位置的长度与倾斜弹簧原长的比值）较小且倾斜弹簧为软化弹簧时,可在平衡位置附近获得较小的系统刚度及较大的低刚度区间;通过选择适当的上、下层隔振器阻尼比、竖直刚度比与质量比,可减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能。     

A 6-DOF passive vibration isolator based on Stewart structure with X-shaped legs

By employing the nonlinear stiffness and damping characteristics of a bio-inspired X-shaped structure (XSS) with passive springs and the Stewart platform with six degrees of freedom, a passive 6-DOF vibration isolation platform is designed and experimentally studied for its vibration isolation performance. A three-layer asymmetrical XSS is adopted as legs to construct a passive Stewart platform. Because of the specially designed XSS, the stiffness and damping properties of the system can be adjusted by changing structural parameters and thus it is designable to achieve an excellent performance including excellent stability and high-static-low-dynamic-stiffness isolation effect in all six directions with satisfactory loading capacity in the vertical direction, without any active control. Analytical and extensive experimental analysis of static stiffness and vibration response of the system revealed that (a) the aXSS Stewart platform has very beneficial high static nonlinear stiffness which can provide sufficient loading capacity; (b) the platform can achieve very low dynamic stiffness in each direction without losing loading capacity; (c) both static and dynamic stiffness is adjustable and designable with structure parameters and very easy to implement in a pure passive manner.     

含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振系统隔振性能分析

基于动力吸振器原理,在单自由度准零刚度隔振器基础上耦合可调频动力吸振器构成两自由度隔振系统。首先,对动力吸振器工作原理进行理论分析并提出其力学模型;其次,通过静力学分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数间的关系并分析其对系统刚度特性的影响;然后,建立两自由度隔振系统非线性动力学方程,利用谐波平衡法进行幅频响应解析分析,得到力传递率表达式;最后,数值分析动力吸振器阻尼、刚度、质量、激励力幅值和弹簧片有效长度对力传递率的影响规律,并与单自由度准零刚度隔振系统及两自由度线性隔振系统对比分析。结果表明：通过选择适当的动力吸振器参数不仅可以减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,且还能加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能,实现激励频率的可适应性。     

几何非线性摩擦阻尼隔振系统动力学行为研究

非线性隔振系统由于具有较线性系统更优的隔振性能,因此在工程中应用广泛.本文通过配置与被隔振对象的运动方向相垂直的库伦摩擦阻尼器,构建了几何非线性摩擦阻尼模型.由于引入了几何非线性,因此其摩擦力与位移正相关,这与传统与位移无关摩擦力模型有显著不同.首先,建立了具有几何非线性摩擦阻尼的数学模型以及隔振系统的受迫振动方程;然后,使用谐波平衡法求解了动力学方程,并使用数值仿真方法验证了谐波平衡法求解的准确性;最后,研究了几何非线性摩擦阻尼隔振器的绝对位移传递率和相对位移传递率.研究结果表明,在库伦摩擦阻尼选择适当,非线性摩擦阻尼系统可以在保持高频振动衰减效果的前提下,显著降低系统共振峰,其性能优于传统的恒定摩擦阻尼隔振模型.同时,几何非线性摩擦阻尼系统能够避免传统摩擦阻尼系统中的“锁定”现象,从传递率角度来说,不利于共振峰控制;但从激励环境改变引发隔振系统失效的角度来看,几何非线性摩擦阻尼系统可以拓宽系统对激励幅值的适应范围,避免隔振系统失效.本文的研究结果对此类隔振系统的设计和摩擦阻尼参数的选择具有通用的指导意义.      

TRANSMISSIBILITY OF TRANSVERSE BENDING VIBRATION OF ELASTIC STRUCTURES 1)

振动的传递是振动理论的重要组成部分。在振动力学的教材中,对于离散结构的积极隔振和消极隔振,振动的传递率已有明确的定义。由于弹性结构的振动不止通过一个点传递,尚需讨论如何定义传递率。通过两端弹性支撑梁,定义了弹性结构横向弯曲振动的各支撑端点的振动传递表达式,及支撑点合力的振动传递率表达式。结果显示三种传递率可能存在较大的差别。建议将这一基本振动理论问题收录于教材,并早日进人本科生和研究生的教学课堂。     

Vibration isolation performance evaluation of the discrete whole-spacecraft vibration isolation platform for flexible spacecrafts

The method for evaluating the vibration isolation performance of discrete whole-spacecraft vibration isolation of flexible spacecrafts is studied in the paper. The dynamic model of the discrete whole-spacecraft system is built and model reduction is proposed. The analysis of vibration isolation method of vibration transmissibility from the isolator to satellite is discussed. Then, the evaluation method is studied from the perspective of simulation and experiment, and the results show the correctness of the theoretical analysis. The power flow evaluation method of discrete whole-spacecraft of the flexible spacecraft is introduced. By studying the power flow of the vibration isolation, we find that this method supplements inadequacies of the vibration transmissibility. At last, it is proposed that the vibration isolation performance should be evaluated by combining the vibration transmissibility at some key points of the satellite and the power flow of the vibration isolator.     

FREQUENCY-SHAPING LQR CONTROL OF WHOLE-SPACECRAFT VIBRATION ISOLATION PLATFORM BASED ON MR DAMPER1)

设计磁流变六杆隔振平台,以改善星箭界面低频振动环境.采用牛顿-欧拉法建立整星隔振平台动力学模型,利用固定界面模态综合法得到卫星和隔振平台动力学模型.由于星箭界面低频振动环境在特定频段存在振动量级较大的问题,采用频域加权LQR (linear quadratic regulator)方法,利用直接分解法扩展系统状态变量,进行磁流变阻尼器半主动控制系统设计.仿真结果表明,相对传统控制方法,频域加权LQR方法在特定频段减振效果明显改善,且在其他频段没有恶化,验证了算法有效性.