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。     

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.     

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.     

惯容器对隔振系统动态性能影响研究

本文设计了一种滚珠丝杠惯容器及ISD隔振系统,通过实验研究了惯性轮的转动惯量对惯容值的影响;同时,分析了滚珠丝杠惯容器的机械动力学特性,推导了ISD隔振系统的振动传递率计算公式,探讨了惯容器对ISD隔振系统动态特性的影响。在电机被动、主动和混合隔振工况下,开展了弹簧阻尼系统和ISD隔振系统的振动性能对比实验,验证了惯容器对振动系统固有频率和减振效果的影响规律。研究结果表明,惯容器可降低振动系统的固有频率,使共振频率向低频移动,共振振幅降低;在共振频率附近,惯容器可抑制共振振幅,惯容值越高,抑制效果越明显;ISD隔振系统在低频的减振效果优于传统的弹簧阻尼系统;随着频率比的增加,ISD隔振系统的传递率趋于稳定值,惯容器会引起高频隔振性能降低。     

整星隔振器的无源控制设计

在卫星的寿命周期内,发射过程中的振动环境最为恶劣.为了改善卫星发射过程中的力学环境,提高卫星发射的可靠性和降低卫星成本,整星隔振技术得到了各国的高度重视.整星主被动一体化隔振技术可以有效隔离火箭传递到卫星的振动,改善卫星在发射中的力学环境并提高发射可靠性.系统无源性与耗散性和稳定性之间有着紧密的联系,无源性控制的     

磁流变整星隔振平台频域加权LQR控制研究

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.     

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.     

附加约束阻尼层对星箭系统动特性的影响分析

在星箭连接支架外表面附加约束阻尼层可抑制星箭对接界面的振动,从而降低卫星在发射过程中所承受的振动和噪声载荷.本文将有限元技术与矩阵特征值摄动分析方法相结合,就卫星支架局部修改(附加约束阻尼层)对星箭系统动态特性的影响进行了分析.以已有星箭系统结构的模态信息为基础,给出了支架部位附加约束阻尼层后星箭系统动态特性变化的定量计算方法,并证明了该减振技术能够不明显的改变原星箭系统的固有特性.     

导管架式海洋平台阻尼隔振及减振技术研究

分析和研究了导管架式海洋平台结构采用阻尼隔振技术的基本原理，建立了阻尼隔振体系简化计算模型，推导了两自由度简化模型，采用强行解耦方法计算结构第一振型阻尼比的计算公式，研究了隔振层参数与结构阻尼比的关系以及它们对结构整件和隔振层层间相对位转的控制效果，进行了在波浪力和地震工况下的数值模拟，结果表明，阻尼隔振方案是导管架式海洋平台的一种有效减振措施，当阻尼隔振层刚度较大时，可以有效控制平台结构的振动。     

考虑人体耦合作用的结构竖向隔振研究

结构在环境振动或地震作用下的竖向振动不容忽略,有必要采取竖向隔振装置进行减振控制。考虑人体与结构耦合作用后不仅使隔振动力模型更加真实,还可以直接获得人体的动力响应。采用碟形弹簧支座对结构进行基础竖向隔振,并根据国际标准ISO5982规定的不同姿势下的人体动力模型,建立了考虑具有非经典阻尼的人与隔振结构耦合运动方程,利用复模态分析实现了方程的解耦,通过算例分析了竖向隔振以及人体作用对结构响应的影响。结果表明:对于一般的质量和刚度分布均匀的结构,人体对结构具有微弱的减振作用。碟形弹簧支座可以显著地降低结构的竖向振动并改善居住舒适度。     

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。     

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。     

基于离散单元法的颗粒阻尼耗能减振特性研究

采用离散单元法并从能量耗散的角度研究颗粒阻尼对系统减振特性的影响。建立了颗粒介质细观下的法向、切向和滚动方向的粘弹性接触模型和能量耗散模型,通过冲击激励和简谐激励下系统振动响应的多参数能量耗散分析来研究颗粒阻尼的耗能机理和减振特性。数值试验表明,颗粒介质可以在一个较宽的振动幅值范围内有效的发挥其阻尼效应,其耗能具有阶梯状周期性的特点。填充率是影响颗粒阻尼耗能减振效果的主要工程可控参数并对系统共振频率产生重大影响,当填充率接近极值时,系统出现无阻尼共振及共振频率超出无颗粒系统固有频率的现象。系统在最优填充率下共振时,颗粒与箱体保持恒定相位差的超振幅稳态运动。较小粒径的颗粒可以提高能量耗散率并使振动系统更快趋向静平衡状态,而恢复系数和摩擦系数则对法向和切向耗能的比值有较大影响。     

架空输电线防振锤阻尼特性实验研究

本文利用梁的振动理论对防振锤的阻尼特性进行研究。通过正弦激励下的共振驻留法,分别对不同型号以及同种型号不同锤头质量的防振锤进行振动实验,应用能量平衡原理得到了防振锤的阻尼特性曲线,分析了不同模态响应在阻尼耗能中的贡献。考虑不同类型阻尼对于减振性能的作用,在Lazan阻尼假设的基础上,利用经验公式推导了阻尼系数计算公式。结果表明,钢绞线变形大小直接影响防振锤的阻尼值大小;阻尼对减小共振频率附近的受迫振动幅值作用明显,验证了防振锤的减振性能;同时锤头质量的变化可以影响阻尼曲线的变化。以上结论可为防振锤的防振设计和应用提供参考。     

随机振动载荷的传递路径分析研究

在传统的周期性信号传递路径分析(TPA)的基础上,研究了随机振动信号的TPA分析方法。理论研究表明:对于随机振动信号,也可以用功率谱密度的形式实现TPA分析,并得到每条传递路径上的贡献量。以某发动机振动载荷的传递路径分析为例,得到了各激励源通过各传递路径的振动贡献量以及振动传递的主路径,第四个激励源通过路径4的传递贡献量较大。在90Hz、130Hz处,路径4贡献量大的原因是由于激励载荷较大导致的,可以进行振源减振隔振安装设计;而在115Hz、165Hz处,路径4贡献量大的原因是由于传递特性较大导致的,可以针对该阶振动模态进行结构优化设计或者减振隔振,从而减小目标点的振动响应水平。     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.      

宇航级三浮陀螺仪三质量块隔振模型

从三浮陀螺仪的结构出发,考虑浮液和动压气体轴承的特点及隔振作用,运用振动理论和隔振技术,建立并论述了三浮陀螺仪三质量块振动模型。对该模型在受迫振动下的运动方程进行了分析,得到了运动方程的解。对该模型的参数进行了识别,对浮液阻尼特性进行了分析,用摄动法求解了阻尼系数c12;对波纹管弹性系数进行了推导计算,得到了弹性系数k12的表达式;对气体轴承的动态阻尼和刚度进行了分析说明,得到了阻尼系数c23和弹性系数k23的表达式。基于此模型,给出了力传递系数的求解方法以及表达式。对三浮陀螺仪振动传递研究有一定指导作用。