论文部分内容阅读
约束阻尼层复合结构做为有效的振动抑制方法已经得到广泛应用,本文针对航天结构中经常采用的圆形截面梁类结构,研究了在其表面附加约束阻尼层的理论分析和有限元建模方法,并针对在某重点型号卫星上的具体工程应用—轴向发动机支架结构的振动抑制,开展了系统的研究工作。
对粘弹性材料的阻尼机理和常用的阻尼模型进行了简要的归纳和总结,并对各种阻尼模型的优缺点进行了比较研究。研究了附加约束阻尼层复合梁的理论模型,讨论了复合梁的有限元建模方法,对以前常用的分析约束阻尼矩形梁的六阶模型在不同边界条件情况下的结果进行了总结,通过有限元建模和分析计算,指出了六阶模型的适用范围。并对某型号卫星的适配器模型附加约束阻尼层振动抑制进行了试验分析,利用模态分析试验获得了附加约束阻尼层后适配器的各阶模态阻尼比的变化情况,比较了附加约束阻尼层前后结构典型点的频率响应函数,将有限元计算的阻尼损耗因子和试验测得的阻尼损耗因子作了比较,结果表明约束阻尼层处理是一种简单但有效的结构振动抑制手段。
从降低有限元单元数目的角度出发,提出了阻尼梁单元的方法,并针对不同的圆形截面梁和矩形截面梁附加约束阻尼层的动力学分析,经过推导得到了其阻尼梁单元动力学模型。具体内容如下:(1)研究了圆形截面实心梁附加约束阻尼层的弯曲振动,应用Hamilton原理,将基层、阻尼层和约束层合成一个阻尼梁单元,采用该方法进行分析,同通用有限元三维建模分析结果作了比较,证明了该方法的有效性,并用悬臂梁试验验证了该方法的正确性。进一步分析了不同参数对附加约束阻尼层的圆形截面实心梁的特性的影响,采用该方法将附加约束阻尼层的圆形截面实心梁和五层约束阻尼矩形截面梁的动力学特性做了比较。(2)对空心的各向同性圆形截面长梁附加约束阻尼层的拉伸、弯曲和扭转振动,分别推导了阻尼梁单元进行分析,对比通用有限元程序采用三维建模方法分析附加约束阻尼圆形空心梁的结果,表明该方法的计算精度是可接受的,并可以节省计算时间。(3)利用Timoshenko剪切梁理论,研究了复合材料梁附加约束阻尼层的动力学特性,得到复合材料圆形截面梁附加约束阻尼层的阻尼复合材料梁单元模型,利用该方法计算了附加约束阻尼层的复合材料梁的模态分-Ⅰ-析。分析了不同的铺层角度对无附加约束阻尼层的单层复合材料梁的基频的影响,以及不同的铺层顺序对无附加约束阻尼层的复合材料梁基频的影响。分析了复合材料约束层铺层角度对构件固有频率和阻尼特性的影响,同时用悬臂复合材料梁试验和通用三维有限元的计算结果验证了复合材料阻尼梁单元分析计算的结果,证明了该方法的正确性。
针对某重点型号卫星的轴向发动机复合材料支架的振动抑制,对该结构附加约束阻尼层振动抑制方法进行了系统的分析和试验研究。采用有限元方法分析附加约束阻尼层的轴向发动机支架顶部的响应,对不同的约束阻尼铺设方案进行分析,以达到附加最小质量获得最大振动抑制效果的目标。结构星振动试验验证了约束阻尼层对这类凸出机构的振动抑制效果,确定了正样星上的实施方案,并在正样星上实施该方案,从而解决了该卫星因局部振动超标而不能满足发射要求的问题,保证了该卫星的按时出厂并在2004年下半年顺利升空,目前该卫星在轨运行正常。还在另一颗相同型号卫星的新轴向发动机支架上实施了约束阻尼层方案,由结构星振动试验证明该方法振动抑制的效果明显,能够满足结构振动抑制的需要,进一步表明附加约束阻尼层对航天结构中杆系结构的振动抑制具有普遍适用性。