空间飞行器阻尼减振设计与应用

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1、空间飞行器阻尼减振设计与应用　　摘要：　　在空间飞行器结构设计中，为改善仪器设备的振动环境，基于结构模态特性和动力学响应的关系，以某型号空间飞行器为例开展阻尼减振设计.通过仿真分析及地面试验，对减振设计的有效性进行验证.结果表明：在结构模态中的最大应变部位周围附加阻尼层可有效降低结构振动.结构测点在共振峰附近的放大倍数显著降低，最大降低幅度超过90%；结构测点的随机振动响应量级降至设备耐受能力范围之内，阻尼减振设计达到预期目的.　　关键词：　　空间飞行器；振动；约束阻尼；减振；模态特性；动力学响应；有限元；试验　　中图分类号：V19　　文献标志码：B　　Abstract：

2、　　Tooptimizethevibrationenvironmentforequipmentintheprocedureofspacecraftstructuraldesign，thedampingvibrationreductiondesignofacertaintypeofspacecraftisdonebasedontherelationshipbetweenthestructuralmodalfeatureanddynamicresponse.Theeffectivenessofthevibrationreductiondesignis10validatedby

3、simulationanalysisandgroundexperiments.Theresultsshowthatthestructuralvibrationcanbeeffectivelyreducedbyaddingdampinglayeraroundthemaximumstrainarea.Theamplificationfactorneartheresonancepeakissignificantlyreducedandthemaximumreductionrangeismorethan90%.Therandomvibrationresponseofthestru

4、cturalmeasurepointisreducedtotherangeoftolerancecapability.Thedampingvibrationreductiondesignachievestheexpectedgoal.　　Keywords：　　spacecraft；vibration；constraineddamping；vibrationreduction；modalanalysis；dynamicresponse；finiteelement；experiment　　0引言　　随着航天技术的发展，越来越多的军、民用空间飞行器步入太空轨道.在运载器主动段，

5、空间飞行器历经较为复杂的振动和噪声环境，可能导致电子器件失效、仪器仪表失灵、机械零部件寿命缩短等问题，严重影响空间飞行器的可靠性，甚至造成飞行任务失败.[1]因此，空间飞行器的减振设计成为环境工程中的关键技术问题.10　　近几十年来，以黏弹性阻尼材料为基础的阻尼减振技术得到长足发展，航天工程中多种型号采用阻尼减振设计[26]，但目前阻尼减振设计尚未形成统一规范，且经常在初样产品地面试验后进行一些更改性设计或大面积应用阻尼材料，导致减振设计受到结构方案限制或阻尼材料不必要的浪费.因此，在结构设计初期，基于结构动力学分析进行阻尼减振设计，可提前找到结构设计的薄弱环节，避免在初

6、样阶段地面试验后更改结构，影响飞行器研制进度.　　本文以某型号空间飞行器为例，完成阻尼减振设计，开展有限元仿真分析及地面试验，充分验证该设计的有效性.目前，该型号空间飞行器已经成功发射，并且在轨顺利完成各项任务.　　1阻尼减振机理　　黏弹性阻尼材料减振通常包括自由阻尼层和约束阻尼层2种形式.[7]自由阻尼层是指阻尼层直接粘贴在基体结构表面，见图1.约束阻尼结构是在自由阻尼结构的弹性层上增加约束层，见图2.结构振动时，阻尼层随结构件振动，黏弹性阻尼材料发生拉伸或剪切变形，使机械振动的能量转化成热能，通过热能耗散实现减振.通常，阻尼材料变形越大，耗散能量越多，减振效果越好.[

7、89]　　由式（5）可见，系统具有n个共振频率点，在外力激励下，系统振动由n阶主振动叠加而成，系统的稳态响应由n个不同形态的稳态响应叠加而成.[10]当外力的激励频率接近系统的某阶固有频率时，ω-≈1，主坐标位移响应x迅速增大，出现共振现象.此时，式（6）变为βj=1/2ξ，即通过提高结构阻尼，可有效降低振动响应.　　因此，依据结构系统振动响应，确定响应峰值对应的某阶主振动，针对该阶主振动的振型特性，确定材料相对变形最大的位置，即在材料应变最大的位置周围布置阻尼层，可以较大限度地达到能量耗散的目的，是阻尼减振设计最有效、最经济