一种包带抱紧结构动态特性的试验研究

杨新峰 杨慧 张旭

（1 航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

（2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

包带一般用于抱紧设备或结构，它是具有一定宽度的、薄而长的金属带（多为钛合金），包带的两端安装有连接螺栓，可通过螺栓拧紧力矩对包带施加预紧力。包带在航天上最常见的应用是星箭连接解锁包带[1]，星箭连接解锁包带上安装有V 型槽块，对包带施加预紧力则可以压紧卡在V 型槽内的星箭连接法兰，使卫星固定在火箭上。近年对星箭连接解锁包带进行了静力承载、动态包络、连接刚度、分离冲击等诸多研究[2-5]，取得了有效的成果，其应用也较成熟。

目前，包带也开始应用在卫星压力容器的安装上。卫星压力容器，如高压气瓶，在充压后会产生膨胀，而随着在轨期间气体的消耗，使压力容器内部压力降低、容器转而从膨胀状态变为收缩状态。针对这种较大变形的变化特性，高压气瓶在卫星上不能完全固定安装，而可采用包带抱紧安装方式，即用包带把气瓶抱紧到支架上，而支架用螺栓固定在卫星结构上。在包带抱紧的安装方式中，包带具有较大的弹性和强度，可以允许高压容器的变形，而包带与容器之间还垫有毛毡避免刚性接触。包带抱紧方式涉及到复杂的摩擦力和阻尼层，其力学特性随螺栓拧紧力矩不同而变化，不同形式的振动对阻尼的响应也不同，但这种特性变化规律目前还没有进行过深入的研究，对其力学特性还没有全面掌握。为深入了解其动力特性，将对卫星上这种包带抱紧结构的力学特性进行试验研究。

2 包带抱紧结构介绍

以某卫星为例，气瓶的包带安装抱紧结构由三部分组成：气瓶支撑底座、包带、锁紧螺栓螺母。

气瓶支撑底座为铸铝件（图1），侧壁厚2～3mm，安装底面厚5mm，使用17个M5螺钉安装固定。支撑底座的上部支撑环为气瓶的主要接触支撑面。为提高扭转刚度，同时增加支撑底座上框的抗弯性能，在4个球冠支撑处设有加强肋板。气瓶支撑座的尺寸只会影响组合体的刚度，而不影响包带与气瓶的连接刚度，也不会对包带连接动特性的变化规律产生影响。

气瓶包带外形见图2。安装时，包带穿过连接底座在气瓶上半球处用螺栓螺母锁紧。为了降低气瓶与包带之间的接触应力，整条包带长度应足以包覆气瓶。

高压气瓶一般为球形，与包带抱紧结构组装后形成气瓶包带抱紧结构组件。组装时，在气瓶与包带、支座的接触面之间贴有毛毡，以减少应力集中和划痕。气瓶利用包带抱紧结构的安装示意图如图3所示。

图1 支撑底座Fig.1 Support frame

图2 包带Fig.2 Belt

图3 气瓶包带安装方式Fig.3 Belt-clasp installation

3 结构频率特性

施加一定的螺栓拧紧力矩，以保证整体结构的刚度。毛毡材料特性为非线性，在压力下毛毡可以压缩变形，但变形为非线性。毛毡的材料非线性将影响结构振动动态特性。初始压力时，毛毡变形较大，对应的材料弹性模量较小，随着压力的增大，变形越来越小，对应的材料弹性模量较大。因此，逐步施加拧紧力矩后，毛毡将具有较高的弹性模量，整体结构的刚度可以提高。

为研究结构刚度即结构频率的变化规律，对结构施加不同的拧紧力矩，使用0.5gn的正弦振动测量分别得到了整体结构的基频数据。结构基频随拧紧力矩的变化规律见图4。

图4 抱紧结构的基频随拧紧力矩的变化曲线Fig.4 Variation of the fundamental frequency with the preload torque

从图4可以看到，在1Nm 拧紧力矩下，抱紧结构的基频为26.1Hz，频率较低。随着拧紧力矩的增大，结构基频逐渐增高。在2Nm 至6Nm 的过程中，抱紧结构基频增加较快，平均每1Nm 增加7.8Hz。在6Nm 的拧紧力矩下，抱紧结构基频达到59.5Hz。6Nm 以后，随着拧紧力矩增大，虽然结构基频仍然上升，但增幅不大，大约2.3Hz/Nm。可以初步认为，6Nm 的拧紧力矩下结构动特性趋于稳定。

在6Nm 拧紧力矩下，结构达到的刚度已经满足卫星使用要求，此外，此结构还需经受卫星上设备安装处的动态载荷环境。依据星上使用状态下的测量数据，其动态环境载荷按2gn计算。按0.5gn、2gn、0.5gn的振动量级，对整体结构进行正弦振动测量，其振动响应曲线见图5。如图5所示，两次0.5gn振动曲线基本重合，说明在6Nm 拧紧力矩状态下抱紧结构具有所需要的承载能力，而且动态环境载荷作用后结构频率稳定。

图5 6Nm拧紧力矩下顶部测点的振动响应曲线（对数坐标）Fig.5 Vibration response on the top of the structure with the preload torque of 6Nm

4 振动量级对频率的影响

在这种结构中，安装支架到气瓶的作用力都通过毛毡传递。由于材料特性的非线特性以及界面的摩擦作用，在不同的受力大小情况下，其作用力与变形的关系会变化，因此，振动量级也会影响其力学特性。文献[6]认为卫星在振动试验中频率漂移变化就是由卫星蜂窝夹层结构中的非线性引起。文献[7]进一步验证了卫星蜂窝夹层结构中的非线性对频率漂移的影响。文献[8]报导了振动量级引起的频率下降，主要归因于蜂窝与胶层的非线性以及结构连接的非线性。

为了研究振动量级的对抱紧结构频率的影响，对其进行0.5gn、2gn、8gn的横向正弦振动测量。为了模拟实际气瓶的充压状态，经过初步的振动数据与前期的静力试验数据推算，确定振动环境试验时，气瓶充压10MPa压力，而拧紧力矩减少至3Nm，试验中进行振动加速度的测量。

不同输入量级的正弦振动的响应如图6所示。从图6可看出，随振动量级的增加，最大响应相应的振动频率从99.4Hz降到81.8Hz再降到56.5Hz，固有频率随着激振力的不同而产生了变化，这说明从支架通过毛毡到气瓶的作用力传递具有强烈的非线性。这其中既有毛毡的非线性变形的作用，经观测分析也有接触面摩擦力的作用。在0.5gn、2gn、8gn不同振动量级的正弦振动激励下，气瓶顶部的最大响应分别为3.5gn、11.2gn、32.6gn，相对于输入，气瓶顶部测点的响应放大分别为7倍、5.6倍、4.1倍。在高量级的振动下，其响应放大倍数比较显著地低于低量级振动的响应，表明毛毡及其接触摩擦在不同振动量级下发挥的作用不同。

图6 不同输入量级（0.5gn、2gn、8gn）正弦振动结构顶部的响应曲线（对数坐标）Fig.6 Responses on the top of structure under different vibration levels（0.5gn、2gn、8gn）

5 振动响应的传递特性

按验收级量级进一步对抱紧结构进行正弦振动和随机振动的激励和测量，振动条件见表1，分别测量支架与气瓶上的响应，以此来分析毛毡对振动传递的影响。

表1 振动试验条件Table1 Vibration conditions

5.1 正弦振动

验收级正弦振动的最大加速度响应见表2，从表2中看到横向正弦振动时，支架支撑环上最大振动加速度为34.2gn，略大于气瓶顶部的加速度响应，是气瓶顶部响应32.6gn的1.05倍。纵向振动时，支架上与气瓶顶部的响应也十分接近。假如气瓶与支架之间为直接刚性连接，而不是通过毛毡的连接，依据以往经验数据，从支架支撑环到气瓶顶部会有显著的响应放大。而上述数据表明从支架到气瓶响应并没有相应放大，显示这种状态下毛毡起到减振作用，按简化的一维振动模型推算，毛毡产生的阻尼系数应大于0.5。

表2 正弦振动加速度最大响应Table2 Maximum acceleration responses to sine vibrations

还可以看到，横向振动时从支架根部到支撑环有较大的响应放大（支撑环上的响应约为支架根部响应的4.3倍），而纵向振动时支架根部到支撑环的响应基本不变。这主要是因为在正弦扫描振动频率范围0～100Hz内，存在一个横向基本频率而产生响应放大，而纵向基本频率在此范围之外。

5.2 随机振动

验收级随机振动加速度的最大响应见表3，从表3中看到横向随机振动时，支架支撑环上最大振动总均方根加速度为43.5gn，气瓶顶部的总均方根为2.5gn，支架支撑环上的响应约是气瓶顶部的响应的17.4倍。这说明通过毛毡后，振动从支架支撑环上的43.5gn减低至顶部的2.5gn，减振约94%，减振作用相当明显。即使相对于根部输入的振动量级9.3gn，从支架根部输入到气瓶顶部的减振也达到约73%。

表3 随机振动加速度最大响应Table3 Maximum acceleration responses to random vibrations

对于纵向振动，支架支撑环上的最大总均方根值为68.2gn，气瓶顶部的总均方根值为8.8gn，支架支撑环上的响应约是气瓶顶部的响应的7.8倍。从支架支撑环至气瓶顶部减振约87%，减振显著。支架根部振动输入为17.86gn，从支架根部至气瓶顶部减振约51%。

5.3 减振分析

通过上述试验的数据可以看到：抱紧结构中，正弦振动响应在毛毡两边几乎保持一致，抑制了一般结构中的响应放大现象。随机振动时，抱紧结构支撑环上加速度响应最大，气瓶顶部则响应最小，支撑环的振动通过毛毡到达气瓶顶部后衰减很多；不论纵向或横向振动，毛毡两边的随机振动响应的衰减都在87%以上，而根部输入至气瓶顶部随机振动衰减都在50%以上，其中横向振动有着更优的表现。这充分说明抱紧结构具有显著的特殊阻尼减振作用。在目前卫星及部件的减振相关研究中还没有见包带抱紧减振作用的报道[9]，联结结构中振动传递损失在文献[10]中进行了初步研究，认为可以得到15～30dB的振动减离。

还可以看到本结构中的毛毡对不同振动种类的影响是不同的。对随机振动，它有着十分显著的减振作用。其主要原因是因为随机振动频谱范围都比较宽广，能量比较分散，各频率的振动相位都不同，振动力在毛毡层中有相当的抵消作用。对于正弦振动，每一时刻振动力都集中在某一频率，因此，不会像随机振动那样有显著的减振作用，但相比于一般结构件毛毡也达到了不扩大正弦振动响应的效果。

抱紧结构展现出的减振作用具有重要意义，对于以随机振动为主振动环境，都可以充分借鉴抱紧结构的减振方式，而且这种方式简单、经济、可靠。

6 结论

抱紧结构的连接毛毡材料非线性对结构频率影响较大，随拧紧力矩增大，毛毡压缩刚度增加而引起基频升高。6Nm 拧紧力矩以后，毛毡压缩刚度趋于稳定值，从而组件结构频率变化不大，结构动特性基本稳定。另外，振动量级也对结构固有频率产生影响，大的振动量级下，界面会克服摩擦产生较大的位移，导致抱紧结构固有频率的降低。

毛毡在抱紧结构中显著影响结构中振动传递特性。正弦振动时，毛毡两边的结构振动响应几乎保持一致，没有响应放大现象。随机振动时，毛毡两边的随机振动响应的衰减都在87%以上，而从根部输入至结构顶部的随机振动衰减都在50%以上，其中横向振动的衰减优于纵向振动。抱紧结构这种减振形式可以借鉴应用于其他结构的减振中。

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