CN109446702B - 一种空间科学实验柜的被动式减振方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间科学实验柜的被动式减振方法，在前后处理软件中建立空间科学实验柜有限元仿真模型，进行正弦扫频分析求解，得到整体和各组件的加速度响应结果；得到整柜及各组件在共振频率点上的能量分布；在关键组件模态应变能较大的位置铺敷约束阻尼层；对铺设阻尼减振后的空间科学实验柜重新进行正弦扫频分析求解，对比附加约束阻尼层前后结构响应的变化情况，验证该被动式减振方法的可靠性。本发明提出一种针对空间科学实验柜的被动式减振方法，它不需要改动现有结构，对柜体本身结构功能没有任何影响，一定程度上改善仪器设备和有效载荷的动力学环境，提高实验柜综合性能指标，该方法可靠性高、鲁棒性强、易实现。

Description

一种空间科学实验柜的被动式减振方法
技术领域
本发明涉及航空航天约束阻尼减振设计领域，具体地说是一种空间科学实验柜的被动式减振方法。
背景技术
振动是航空航天***结构研制中经常遇到的力学问题，如果处理不当，结构的振动环境过于恶劣，或者发生共振现象，会导致仪器失效，甚至灾难性的后果。因此，结构的减振技术对于航空航天***产品的研制是非常关键的因素。
载人航天二期我国将发展短期有人照料的空间实验室，将开展一系列空间科学实验。为构建实验室，运载火箭将承载多个空间科学实验柜来完善空间实验室，满足科学实验要求。空间科学实验柜是用来承载科学载荷***，配备很多高精密仪器设备来组件空间实验室，完成空间科学实验。这些高精密仪器设备对振动环境要求很高，高振动动力学工况下会对精密仪器设备造成不可逆转的损坏影响其精准度，上天后无法开展空间科学实验，将产生巨大损失，因此需采取必要的减振措施才能满足特殊科学实验要求，鉴于此对空间科学实验柜被动式减振***进行了研究和设计。
发明内容
针对航空航天动力学环境恶劣精密机械振动响应大问题，本发明提供一种空间科学实验柜的被动式减振方法，采用约束阻尼层减振技术，提高实验柜阻尼，改善动力学环境，进一步提高空间科学实验柜在火箭发射状态下的可靠性。
用少量的结构试验所获得的数据对有限元模型进行修正，获得比较准确的有限元模型，解决了有限元建模仿真不精确问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种空间科学实验柜的被动式减振方法，包括以下步骤：
步骤1：在前后处理软件中建立空间科学实验柜有限元仿真模型，并通过有限元分析软件进行正弦扫频分析求解，得到整体和各组件的加速度响应结果；
步骤2：采取模态应变能分析方法，得到整柜及各组件在共振频率点上的能量分布；
步骤3：在关键组件模态应变能较大的位置铺敷阻尼材料，包括阻尼层和约束层；
步骤4：对铺设阻尼减振后的空间科学实验柜重新进行正弦扫频分析求解，对比附加约束阻尼层前后结构响应的变化情况，验证该被动式减振方法的可靠性。
所述进行正弦扫频分析求解是分别对实验柜的XYZ三个方向进行频响分析，得到整体和各个组件的加速度响应结果，确定现有实验柜的最大振动的频率和加速度响应放大情况，也为后续与减振后结构进行频率响应分析所得加速度响应结果对比做铺垫。
所述模态应变能分析方法是对原结构进行模态分析，得到整柜及各组件在共振频率点上的能量分布，根据模态应变能分布确定约束阻尼层粘结位置。
所述阻尼材料是约束阻尼结构设计优先考虑的因素，要求材料在减振频率有较高的耗损因子，其中阻尼层材料采用丁基橡胶。
所述阻尼层和约束层在有限元模型中铺敷于应变能大的被减振结构，适合用于薄板平面结构。因此基层一般为壳网格，阻尼层用五面体或六面体单元模拟，约束层用壳网格单元模拟，三者通过共节点耦合为一体。
所述被动式减振方法主要使用阻尼减振技术，利用阻尼材料在交变应力作用下产生的变形，将动能转变为热量，达到减振目的。约束阻尼层结构由约束层和粘弹性阻尼层粘接而成，并通过粘接方式附于被减振结构(基层)表面。当结构发生振动时阻尼层发生剪切变形，增强结构耗散能量的能力。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明可进一步推广应用在宇航***关键部段减振降噪设计方面，采用附加约束阻尼层减振方案对结构本身改动小，具可靠性高，实现代价小的特点，能在一定程度上改善仪器设备和有效载荷的动力学环境，提高产品综合性能指标和可靠性。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是空间科学实验柜结构组成图；
图3是蒙皮组件模态应变能分布云图；
图4是蒙皮主体铺敷约束阻尼层示意图；
图5是约束阻尼层有限元模型；其中1为约束层、2为阻尼层、3为蒙皮基体。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的方法流程图。
本发明的空间科学实验柜被动式减振方法的过程主要分以下四步：
步骤一，在前后处理软件Hypermesh中建立空间科学实验柜有限元仿真模型，整个结构简化为实体、壳和集中质量单元，采用RBE2刚性单元来模拟螺栓连接，并通过MSC.Nastran有限元分析软件进行XYZ三个方向的模态频率响应分析求解，得到整体和各组件的加速度响应结果。前后处理软件及有限元仿真分析软件包括：HyperWorks、MSC.Patran&Nastran、ANSYS、ABAQUS、LMSVirtual.Lab。
步骤二，为了对实验柜采取粘贴粘弹性约束阻尼层的方式进行减振，阻尼层的铺敷要有针对性，在振动响应大的主振型对应的应变能分布区域来布置阻尼层的敷加位置，这样减振效果最为显著。采取模态应变能分析方法，通过兰索士模态分析求解得到整柜及各组件在共振频率点上的能量分布，进而确定约束阻尼层铺敷位置。
步骤三，在关键组件模态应变能较大的位置铺敷阻尼材料，包括阻尼层和约束层，阻尼层用五面体或六面体单元模拟，约束层用壳网格单元模拟，三者通过共节点耦合为一体；阻尼材料是约束阻尼结构设计优先考虑的因素，要求材料在减振频率有较高的耗损因子，其中阻尼层材料采用丁基橡胶。
步骤四，对铺设阻尼减振后的空间科学实验柜重新进行XYZ三个方向的模态频率响应分析求解，得到整体和各组件的加速度响应结果，对比附加约束阻尼层前后结构响应的变化情况，验证该被动式减振方法的可靠性。
实施例：
本发明针对某一空间科学实验柜采用约束阻尼层的被动式减振。
图2为空间科学实验柜结构组成图。
空间科学实验柜主要由柜体金属架结构和内部科学载荷组成，整个金属框架外部由蒙皮包围。
首先，在前后处理软件Hypermesh中建立空间科学实验柜有限元仿真模型，整个结构简化为实体、壳和集中质量单元，采用RBE2刚性单元来模拟螺栓连接，并通过MSC.Nastran分别对实验柜的XYZ三个方向进行正弦响应分析(全局阻尼比取为0.05)，分别得到了整体和各组件的加速度响应云图，以及比较关注的背板上特定测点的响应曲线。此次分析一方面为了确定现有实验柜在正弦扫频工况下的加速度响应放大情况，另一方面意在与后续附加约束阻尼层的模型进行对比。
通过科学实验柜的正弦扫频分析发现，整个实验柜的加速度响应过大，具体表现为：背板及其安装在其上的科学载荷模块尤为突出。以背板测点响应作为考察重点，经过模态频率响应分析求解后，科学实验柜主结构背板三个方向下的最大响应为：X向14.8g(73Hz)、Y向5.9g(59Hz)、Z向28.7g(94Hz)。通过频响分析结果可见，背板在Z向响应最大，共振峰频率为94Hz。
由于实验柜主结构已经制造完毕，为了尽可能小的改动，在满足质量约束的前提下来达到振动控制的效果，选用粘弹性约束阻尼层方法进行减振。航天上常见(尤其卫星上应用比较多)，它不需要改动现有结构。约束阻尼层结构由约束层和粘弹性阻尼层粘接而成，并通过粘接方式附于被减振结构(基层)表面。阻尼减振技术是当结构发生振动时阻尼层发生剪切变形，增强结构耗散能量的能力，将动能转变为热量，达到减振目的。粘弹性材料的动力学性能与结构承受的应变大小有关，应变越大，阻尼材料的变形越大，消耗的能量越多。为确定约束阻尼层粘贴最佳位置，对原结构进行模态分析，查看共振频率下结构的应变分布。
为了对实验柜采取粘贴粘弹性约束阻尼层的方式进行减振，阻尼层的铺敷要有针对性，由于背板在Z向加速度响应最大，在Z向主振型下对应的应变能分布区域来布置阻尼层的敷加位置，这样减振效果最为显著。采取模态应变能分析方法，通过兰索士模态分析求解得到整柜及各组件在共振频率点上的能量分布，进而确定约束阻尼层铺敷位置。
约束阻尼层减振技术比较适合于敷加在薄板平面结构表面，而空间科学实验柜最大的薄板结构是包裹整个柜体的蒙皮组件，因此，针对空间科学实验柜选取蒙皮作为基层，在其上敷加约束阻尼层。通过兰索士模态分析方法，找到Z向主振型在94Hz共振频率下蒙皮组件的模态应变能分布情况。如图3所示，模态分析结果显示，Z向共振频率94Hz下大部分应变能只分布在蒙皮部分表面，在蒙皮四个窗口、后盖基本没有应变能分布。因此，此方案只在蒙皮主体应变能分布位置敷加约束阻尼层，如图4所示。
约束阻尼减振设计除了需要确定约束阻尼层粘贴位置还需要确定阻尼层、约束层材料及厚度参数。阻尼材料是约束阻尼结构设计优先考虑的因素，要求材料在减振频率有较高的耗损因子，其中阻尼层材料采用丁基橡胶，而约束层选用被粘贴基层结构件材料即可，即蒙皮自身材料。约束层和阻尼层材料属性如表1所示。
表1约束层和阻尼层材料属性
Figure BDA0001860016290000051
Figure BDA0001860016290000061
在蒙皮模态应变能较大的位置铺敷约束阻尼层，包括阻尼层和约束层。蒙皮基层为壳网格，阻尼层用五面体或六面体单元模拟，约束层用壳网格单元模拟，三者通过共节点耦合为一体，如图5所示。
对铺设阻尼减振后的空间科学实验柜重新进行XYZ三个方向的正弦扫频分析求解，得到背板组件的加速度响应结果，对比附加约束阻尼层前后结构响应的变化情况，如表2所示。
表2 Z向响应结果对比
Figure BDA0001860016290000062
从上表中可见，Z向背板加速度响应从原模型28.7g铺敷约束阻尼层减振后降低到22.8g，振动响应下降约21％，针对该空间科学实验柜采用约束阻尼层被动式减振方案减振效果明显。
本发现介绍了一种空间科学实验柜的被动式减振方法，通过兰索士模态提取法得到模态应变能最大位置以及能量传递路径，根据模态应变能大小确定约束阻尼层粘结位置，利用阻尼材料在交变应力作用下承受较大剪切变形和一部分拉压变形，增强结构耗散能量的能力，从而增加整个结构的阻尼效应达到减振的目的。被动约束阻尼层减振方法可靠性高、鲁棒性强，在没有显著改变***的刚度和质量的情况下，能够有效地降低振动响应共振峰值的幅度。该方案可进一步推广应用在航空航天***关键部件减震降噪的设计方面，能在一定程度上改善仪器设备和有效载荷的动力学环境，提高产品综合性能指标和可靠性。

Claims (6)

1.一种空间科学实验柜的被动式减振方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在前后处理软件中建立空间科学实验柜有限元仿真模型，并通过有限元分析软件进行正弦扫频分析求解，得到整柜和各组件的加速度响应结果；
步骤2：采取模态应变能分析方法，得到整柜及各组件在共振频率点上的能量分布；
步骤3：根据能量分布，在模态应变能较大的位置铺敷约束阻尼层；
在空间科学实验柜有限元模型的被铺敷组件上建立约束阻尼层模型，对铺敷约束阻尼层的空间科学实验柜进行正弦扫频分析求解，得到整柜和各组件的加速度响应结果，与铺敷约束阻尼层以前的整柜和各组件的加速度响应结果进行比较，如果加速度响应结果降低10%以上，则结束该铺敷过程；否则，选择与当前阻尼材料不同牌号的阻尼材料，重新进行铺敷。
2.根据权利要求1所述的空间科学实验柜的被动式减振方法，其特征在于：所述约束阻尼层包括阻尼层和约束层，其中，阻尼层与被铺敷组件贴合。
3.根据权利要求2所述的空间科学实验柜的被动式减振方法，其特征在于：所述阻尼层的阻尼材料为丁基橡胶。
4.根据权利要求2所述的空间科学实验柜的被动式减振方法，其特征在于：所述约束层材料与被铺敷组件材料相同。
5.根据权利要求1所述的空间科学实验柜的被动式减振方法，其特征在于：所述被铺敷组件为薄板平面结构。
6.根据权利要求1所述的空间科学实验柜的被动式减振方法，其特征在于：所述约束阻尼层模型包括：
阻尼层用五面体或六面体单元模拟，约束层用壳网格单元模拟，并与被铺敷组件模型通过共节点耦合为一体。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110562501A (zh) * 2019-09-27 2019-12-13 中国科学院沈阳自动化研究所 一种空间站用复合阻尼减振科学实验柜
CN111473985A (zh) * 2020-05-12 2020-07-31 中国科学院沈阳自动化研究所 一种复合阻尼减振科学实验柜热分析试验台
CN113591200B (zh) * 2021-06-07 2023-05-12 北京临近空间飞行器***工程研究所 一种摩擦间隙配合的支杆连接结构动特性分析方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6298963B1 (en) * 1999-02-25 2001-10-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Tuned broadband vibrational dissipator
CN107368645A (zh) * 2017-07-17 2017-11-21 华东交通大学 一种约束阻尼层结构振动计算方法
CN108652286A (zh) * 2018-04-24 2018-10-16 航天材料及工艺研究所 一种空间站用科学试验柜蒙皮组件及制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6298963B1 (en) * 1999-02-25 2001-10-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Tuned broadband vibrational dissipator
CN107368645A (zh) * 2017-07-17 2017-11-21 华东交通大学 一种约束阻尼层结构振动计算方法
CN108652286A (zh) * 2018-04-24 2018-10-16 航天材料及工艺研究所 一种空间站用科学试验柜蒙皮组件及制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
卫星飞轮安装支架的粘弹性阻尼减振设计;徐超等;《噪声与振动控制》;20100618(第03期);全文 *
空间科学实验柜被动式减振***研究;王珂等;《空间科学学报》;20061130(第06期);全文 *

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