分段约束阻尼层结构及其在空间机械臂减振中的应用

发布时间：2018-04-17 12:19

本文选题：空间机械臂 + 分段约束阻尼层　；参考：《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》2016年博士论文

【摘要】：空间机械臂是完成空间站组装和维护任务的重要工具,由于臂杆的柔性,在轨展开之后机械臂末端容易产生振动。约束阻尼层是对柔性结构进行振动控制的有效方式,其机理是粘弹性阻尼层在剪切变形的过程中能将部分应变能转化为热能。一种同时切断约束层和阻尼层的分段方法可以进一步提高约束阻尼层的阻尼特性,但是这种分段方法并不是对所有类型约束阻尼层都适用,本文对分段约束阻尼层的特性进行了研究,并以在研的空间站机械臂小臂系统为例讨论了如何在工程中应用约束阻尼层对柔性结构进行振动抑制。首先依据层间切应力连续假设,建立了分段约束阻尼层的有限元模型,这种模型在阻尼层极薄时仍然有较高的计算精度,比较了考虑和未考虑层间切应力连续条件的两种模型的损耗因子结果。结果表明,阻尼层极薄时并不能使结构获得较好的阻尼特性并通过试验对这一观点进行了验证。损耗因子是通过模态应变能法计算得到的,作为定量衡量结构阻尼水平的标准。阻尼层内的剪切应变场和粘弹性材料的体积直接决定约束阻尼层的阻尼,其他参数都是通过影响阻尼层内剪切应变场进而影响结构阻尼。分段方法会在阻尼层内产生一个剪切变形集中区域,但是分段方法并不总能提高结构阻尼水平。依据已经建立的有限元模型,分析了分段方法以及其他材料尺寸参数对剪切应变场的影响,并用遗传算法对分段切口的数目和位置进行了优化。结果表明,阻尼层厚度变化对分段方法适用性有不同的影响,当阻尼层相对较薄时,阻尼层内剪切应变水平较高,分段方法是适用的,但是阻尼层较薄时约束阻尼层的阻尼特性通常较差。如果合理选择阻尼层厚度,分段的方法只有当阻尼层剪切应变水平较低时才适用,而提高基层和约束层的刚度或者采用剪切模量较小的粘弹性材料都可以提高阻尼层内剪切应变。当约束阻尼层结构以第一阶模态形式变形时,阻尼层内剪切应变水平较低,因此分段方法对于提高第一阶模态阻尼总是有效的,对于高阶模态阻尼,分段方法只对极柔性结构适用。本文提出了一种新型分段方法,这种方法不完全切断约束层,可以提高结构高阶模态阻尼,通过试验对这种分段方法的特性进行了验证。分段方法对主动约束阻尼层的阻尼特性也会产生影响,主动约束阻尼层的约束层为压电陶瓷,在外加电场的作用下压电陶瓷内部会产生机械变形,而这种变形可以提高阻尼层内剪切应变。采用PD控制算法对压电陶瓷进行控制,分析了控制参数与材料尺寸参数对结构阻尼的影响,进一步分析分段方法对主动约束阻尼层的影响,结果表明阻尼层会降低压电陶瓷的驱动性能,分段方法只有在基层厚度较小时才适用。结合工程应用的需求,研究了主动约束阻尼层在MSC/Nastran中计算方法,MSC/Nastran中没有压电陶瓷建模单元,用热应变对逆压电效应所产生的应变进行模拟,利用MSC/Nastran中传递函数模块对压电陶瓷施加控制算法,以工程应用中的实例对这种计算方法进行了说明。机械臂的臂杆为空心圆壳结构,在臂杆表面覆盖约束阻尼层可以提高其阻尼特性,圆壳形状的约束层会限制阻尼材料的变形,而分段方法可以提高阻尼层内剪切变形,因此具有较好的适用性。比较了沿长度方向分段和沿周长方向分段两种分段方法,结果表明沿周长方向分段的方法更优。建立了机械臂有限元模型并通过发射状态下振动试验进行了验证,提出了两种在臂杆表面覆盖约束阻尼层的方案,分别为覆盖主动约束阻尼层和覆盖分段被动约束阻尼层。频率响应结果表明,在臂杆位置覆盖约束阻尼层可以在不明显改变机械臂质量和刚度的前提下,实现对末端振动的抑制,并且这种方法具有可靠性高的特点。
[Abstract]:In this paper , it is proved that the damping layer is very thin , the damping property of the constrained damping layer can be improved . The method can improve the shear deformation in the damping layer , therefore , it has better applicability . The results show that the method is more superior in the length direction and in the direction of circumference . The results show that the method is better than that of the active constrained damping layer and the covering segment passive restraint damping layer . The results show that the restraint damping layer can restrain the end vibration without significantly changing the quality and rigidity of the robot arm , and the method has the characteristics of high reliability .

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241

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