基于粘弹性阻尼器的整星隔振系统的非线性动力学研究

发布时间：2020-11-10 02:24

　　 随着现代信息化的不断推进,空间技术成为信息化发展的主要力量之一,但火箭在发射飞行过程中,由于发动机的点火、关机、爆炸冲击和级间分离等动作,使火箭主动段在飞行过程中产生剧烈的振动,这些复杂的动力学环境在很大程度上影响卫星的使用寿命,从频谱角度看,振动环境包括几十赫兹的低频结构振动以及几百至上千赫兹的中高频振动,因此卫星减振就显得尤为重要。本文提出一种在不改变原有适配器结构的基础上,在原有适配器与柔性卫星之间串联粘弹性阻尼器,并对新模型进行理论分析和实验验证,并在此基础上提出了一种基于粘弹性阻尼器-非线性能量阱耦合控制的减振方法。本文主要包括以下四个方面内容。首先根据不改变原有适配器结构的原则,本文提出了一种基于粘弹性阻尼器的整星被动隔振系统,从宏观角度对粘弹性阻尼器的结构组成进行分析,利用迹法模型分析将粘弹性阻尼器等效成三次非线性刚度和三次非线性阻尼,分析了非线性参数对能耗的影响规律,其次建立动力学模型讨论系统的非线性特性,为整星隔振系统的理论分析建立基础。利用谐波平衡法对基于粘弹性阻尼器的整星被动隔振系统进行求解,通过仿真分析非线性参数在共振频率下对系统的隔振性能的影响规律;利用平均能量法分析参数对耗能的影响规律,根据参数影响规律用遗传算法求解系统的最优结构参数,为样机加工提供参数。根据设计的整星装置及结构参数对实验样机进行加工,其次对加工好的整星隔振装置进行振动试验,通过对整星隔振装置施加外激励,验证模拟卫星在不同配重条件下、不同外激励条件下的减振效果,验证粘弹性阻尼器对整星隔振装置的减振性能,证明理论分析的正确性,最后完成误差来源的分析以及分析影响系统的非线性因素。最后在此基础上提出了一种基于粘弹性阻尼-非线性能量的阱耦合控制的减振方法,利用谐波平衡法对其进行动力学分析,利用龙哥库塔法分析系统响应,得到基于粘弹性阻尼-非线性能量阱耦合控制方法可达到良好减振效果的结论。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TB535.1
【部分图文】：

西安理工大学工程硕士专业学位论文2下两种：一是在不改变原有适配器的结构的基础上，在适配器的上下端面或者内部增加减振装置；另一种是以减振装置代替原本适配器的结构进行减,如图1-1所示，从而达到改善整星的力学环境。图1-1不同减振方式Fig.1-1DifferentModesofVibrationReduction1.2整星隔振技术的国内外研究现状1.2.1整星隔振技术的国外研究现状整星隔振技术最早源于欧美,旨在降低卫星在发射过程当中面临的复杂载荷情况的同时使隔振系统达到一定的通用性和稳定性。最早在1997年，AFRL实验室联合MoogCSA工程公司研制出第一套整形隔振装置SoftRideUniFlex，随后面对更高的减振性能要求、结构稳定性以及通用性要求，CSA公司针对不同适用范围又相继研制出了SoftRideMultiFlex、SoftRideOmniFlex和SoftRideShockRing等一系列不改变原有适配器整体结构的被动隔振装置[6,7]。其中SoftRideUniFlex如图1-2所示，隔振装置是在锥壳适配器与卫星下表面之间安装一组隔振器[8-10]。这种隔振器是由压力环组成的，在压力环内部粘贴有阻尼材料，在外激励的作用下通过约束阻尼抑制系统的响应幅值，这种隔振装置先后在1998年应用于Taurus火箭上发射的GFO航天器、STE航天器，2000年应用于Taurus火箭上发射的MTI航天器。但这种隔振装置只能降低系统的轴向过载现象，无法同时满足在轴向过载和横向过载的现象。图1-2SoftRideUniFlex减振器Fig.1-2SoftRideUniFlexShockAbsorber故根据SoftRideUniFlex隔振装置存在的缺点，CAS公司随后又研制出了同时可以控

西安理工大学工程硕士专业学位论文2下两种：一是在不改变原有适配器的结构的基础上，在适配器的上下端面或者内部增加减振装置；另一种是以减振装置代替原本适配器的结构进行减,如图1-1所示，从而达到改善整星的力学环境。图1-1不同减振方式Fig.1-1DifferentModesofVibrationReduction1.2整星隔振技术的国内外研究现状1.2.1整星隔振技术的国外研究现状整星隔振技术最早源于欧美,旨在降低卫星在发射过程当中面临的复杂载荷情况的同时使隔振系统达到一定的通用性和稳定性。最早在1997年，AFRL实验室联合MoogCSA工程公司研制出第一套整形隔振装置SoftRideUniFlex，随后面对更高的减振性能要求、结构稳定性以及通用性要求，CSA公司针对不同适用范围又相继研制出了SoftRideMultiFlex、SoftRideOmniFlex和SoftRideShockRing等一系列不改变原有适配器整体结构的被动隔振装置[6,7]。其中SoftRideUniFlex如图1-2所示，隔振装置是在锥壳适配器与卫星下表面之间安装一组隔振器[8-10]。这种隔振器是由压力环组成的，在压力环内部粘贴有阻尼材料，在外激励的作用下通过约束阻尼抑制系统的响应幅值，这种隔振装置先后在1998年应用于Taurus火箭上发射的GFO航天器、STE航天器，2000年应用于Taurus火箭上发射的MTI航天器。但这种隔振装置只能降低系统的轴向过载现象，无法同时满足在轴向过载和横向过载的现象。图1-2SoftRideUniFlex减振器Fig.1-2SoftRideUniFlexShockAbsorber故根据SoftRideUniFlex隔振装置存在的缺点，CAS公司随后又研制出了同时可以控

1绪论3制横向过载和轴向过载的SoftRideMultiFlex隔振装置如图1-3所示，这种隔振装置也是连接在卫星与适配器连接面之间，它是由两个SoftRideUniFlex控制轴向过载，利用中间串联支柱的弯曲变形控制横向过载,同时满足了横向和轴向两个方向的振动隔离[11-13]。2000年被应用于OSPSLV火箭上发射的Minotaur航天器、JAWSAT火箭上发射的Minotaur航天器及MightySat火箭上发射的Minotaur航天器等。但是由于火箭内部空间资源珍贵，这种隔振装置由于自身结构特点，大大降低了系统的空间利用率。图1-3SoftRideMultiFlex减振器Fig.1-3SoftRideMultiFlexShockAbsorber面对SoftRideMultiFlex隔振装置存在的空间利用率的问题，CAS公司随后又研制出了SoftRideOmniFlex隔振装置如图1-4所示[14-15]。这种隔振装置通用性强，既可以安装在卫星与适配器连接面之间，可以安装在运载火箭与适配器连接面之间，通过压力环与粘弹性材料配合，在面对外激励时通过粘弹性材料变形耗散横向和轴向能量，在满足空间利用率的基础上隔振性能相对于SoftRideMultiFlex大大提高，同时OmniFlex隔振器的数量可以根据不同的发射任务适当调节，达到了通用性，但主要针对的是小卫星的发射。图1-4SoftRideOmniFlex减振器Fig.1-4SoftRideOmniFlexShockAbsorber随后，CAS公司还制出了SoftRideShocking隔振装置如图1-5所示[16-20]。这种隔振装置结构为圆环状，利用其自身的高弹性能满足减振效果，同时可根据不同发射要求制定不同尺寸的隔振器，通用性强。于2002年被首次应用到VALPE(NASA)火箭上发射的航天器上，但这种隔振器的作用范围仅局限于类似于冲击载荷这一类的高频振动。之后CAS公司在SoftRideUniFlex被动隔振装置的基础之上配合压电材料的使用，研制出了基于SoftRide主被动一体的整星?
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本文编号：2877323