航天器仪器安装板附加约束阻尼层设计与振动抑制验证

张家雄，张华山，曹晓瑞，张会杰，魏小彪

（1.中国运载火箭技术研究院 研究发展中心，北京 100076；2.北京航天材料及工艺研究所，北京 100076；3.湖北三江航天洪峰控制有限公司，孝感 432000）

航天器仪器安装板附加约束阻尼层设计与振动抑制验证

张家雄1，张华山1，曹晓瑞1，张会杰2，魏小彪3

（1.中国运载火箭技术研究院 研究发展中心，北京 100076；2.北京航天材料及工艺研究所，北京 100076；3.湖北三江航天洪峰控制有限公司，孝感 432000）

针对某航天器仪器安装板在噪声载荷作用下振动响应过大的情况，提出采取附加约束阻尼层的振动抑制措施。文章首先介绍约束阻尼层的应用情况，简要说明了约束阻尼层减振的原理；随后以航天器典型仪器安装板为研究对象，通过对比同等噪声载荷下约束阻尼层附加前、后仪器安装板上的振动响应，分析了振动抑制情况。结果显示，仪器安装板附加约束阻尼层后，仪器设备安装处随机振动均方根加速度平均降低1.56 dB（16.4%）。

飞行器；仪器安装板；约束阻尼层；振动抑制

0 引言

航天器在随运载火箭上升段和再入返回飞行过程中均经历着各种极其复杂而严酷的噪声振动环境。噪声振动环境是一种诱导环境，是产生应力的重要根源，可能引起航天器上产品的结构损坏、运行故障及功能失效等，甚至导致航天器飞行任务失败。因此研究通过约束阻尼层实现声振抑制具有重要的工程意义。

阻尼材料振动抑制的本质是利用阻尼材料在振动作用下的变形，将振动动能转化为变形能与热能，达到减振目的。由于需要较大的损耗因子，阻尼层经常采用黏弹性材料。近几十年，国内外学者一直采用有限元和试验等手段研究黏弹性阻尼结构的动力学问题，且主要集中在黏弹性阻尼结构数模建模、布局优化设计和应用等方面[1-3]。早在1959年，Kerwin为进一步提升减振效果，提出了在自由阻尼层的表面粘接一弹性层，通过阻尼材料产生的剪切变形来增加阻尼结构的耗能性能，这就形成了约束阻尼结构[4]，自此约束阻尼结构得到广泛应用。Hu等研究了附加约束阻尼层的两端简支圆柱壳、简支板及悬臂梁的频响函数[5]。Chia等使用细胞自动机算法，对于板状结构提出了约束阻尼层的铺设方案[6]。

航天领域对减振降噪的需求尤为迫切，对约束阻尼结构的应用也取得了良好的效果。徐卫秀等针对某卫星支架提出附加约束阻尼结构的设计方案，并进行减振效果有限元分析，预示结果与振动试验结果基本一致，减振近 20%[7]。某航天产品电池在试验中由于振动过大而出现故障，对支架附加约束阻尼结构后，电池的功率谱密度共振峰值放大倍数下降50%[8]。周天朋等针对某型号卫星的加速度响应因经过过渡支架的放大而导致星箭的界面振动条件过高，对卫星过渡支架采用增加约束阻尼层的方法进行减振，星箭界面加速度响应减少15.1%～16.1%[9]。

某航天器仪器安装板在噪声载荷作用下，振动响应较大，导致该安装板上的仪器设备无法满足动力学环境要求。本文通过仪器安装板的动力学仿真分析得到共振模态下结构的应变能分布，并根据应变能分布给仪器安装板设计约束阻尼层，最后分析同等噪声载荷下约束阻尼层附加前、后的振动抑制情况。

1 阻尼层减振原理

1.1 阻尼层材料力学特性

黏弹性阻尼材料综合体现了流体的黏性和固体的弹性两种特性。黏弹性材料产生动态交变应力和应变时，一部分能量被储存而另一部分能量被耗散；储存的能量在外力释放后恢复变形又体现为弹性，而耗散的能量则体现为黏性。黏弹性材料在力学上表现为应变滞后于应力，应力-应变曲线呈现椭圆形状，如图1所示，椭圆曲线所包含的面积即为黏弹性阻尼材料所耗散的能量。

图1 黏弹性阻尼材料应力应变曲线Fig.1 Stress-strain curve for visco-elastic material

黏弹性阻尼材料的能量耗散能力常用能量损耗因子β表示。根据复弹性模量的定义，则有E*=E′+jE″=E′(1+jβ)，β=E″/E′=tanα，式中：E*为弹性模量；E′为储能模量；E″为耗能模量，它决定黏弹性阻尼材料受到交变应力时的能量耗散能力；α为应变滞后于应力的相位角。因此损耗因子β是评价黏弹性阻尼材料能量耗散能力的重要参数。

1.2 约束阻尼层结构

最初，研究人员将橡胶等黏弹性材料直接粘接在弹性结构表面，构成自由层阻尼（free layer damping），这种方法简单实用。但随着应用深入，发现自由层阻尼通过拉压变形损耗能量，阻尼利用效率低下。因此提出在黏弹性材料的表面粘贴一层金属弹性材料约束黏弹性材料的变形，构成被动约束阻尼（passive constrained layer damping）。其基本结构是将一层具有一定厚度的黏弹性阻尼材料附加在弹性仪器安装板上，然后再粘一层约束层，即约束阻尼层包括仪器安装板、阻尼层和约束板，如图2所示。

约束阻尼层主要承受剪切变形而耗散振动能量。有研究结果显示，约束阻尼结构的拉伸耗能远小于剪切耗能，因此其减振效果远优于自由层阻尼[10]。

图2 约束阻尼层Fig.2 Constrained damping layer

2 约束阻尼层设计

2.1 研究对象

本文以航天器整个舱体为研究对象，在混响室中开展噪声试验，并重点关注航天器舱体内部仪器安装板的振动响应情况。典型仪器安装板及仪器布局如图3所示，仪器安装板通过机械连接固定在舱体上。

图3 典型仪器安装板Fig.3 Typical instrument installation board

2.2 约束阻尼层布局设计

阻尼层的振动抑制性能与其结构能够承受的应变大小有关，即能够承受的应变越大，阻尼层的变形越大，则损耗的能量越多。本文选取阻尼材料牌号为ZN-1，剪切模量为1.45 MPa。阻尼层厚度设计与结构的频率相关，频率越高阻尼层厚度越小，一般在0.1～1 mm之间，本文选取0.2 mm，损耗因子为1.15。一般情况下，约束层刚度应与约束板的刚度相当，同种材料约束层厚度比约束板的厚度略小。本文中仪器安装板为铝合金材料，厚度为2 mm，约束板的材料选用普通钢材，厚度为1.5 mm，模量为210 GPa。

确定阻尼层和约束板的参数后，需要对约束阻尼层在仪器安装板上的布局进行设计，在确保减振性能最优的基础上，减少不必要的质量增加，降低安装复杂程度。约束阻尼层布局设计是依据结构的应变能分布，确定安装位置。应变能即变形能，局部结构的应变能越大，则意味着承受交变外力时储存的能量越多，而在该位置安装约束阻尼层能最大程度地耗散振动能量。因此，对仪器安装板建立有限元模型，开展动力学特性分析，得到共振一阶模态下结构的应变能分布，如图4所示，其中一阶模态频率为60.6 Hz。由图可知，仪器安装板局部区域存在法向面外变形。根据仪器安装板一阶模态的应变能分布，完成约束阻尼层布局设计，如图5和图6所示，其中图5的红色区域是为典型仪器安装板而布局设计的约束阻尼层。

图4 仪器安装板应变能分布Fig.4 Strain energy distribution in the instrument installation board

图5 约束阻尼层布局Fig.5 Constrained damping layer layout

图6 约束阻尼层安装后照片Fig.6 The constrained damping layer installation

3 噪声试验验证

3.1 噪声载荷条件

噪声试验条件依据火箭发动机试车试验或者脉动压力预示结果确定，本次试验噪声声压级谱见图7，总声压级为140 dB。试验时以此条件为基准，开展-3、0、+4 dB三种载荷条件下噪声试验。

图7 噪声试验声压谱Fig.7 Spectra of sound pressure in the noise test

3.2 测点布置

典型仪器安装板上的加速度测点布置见图8，共有7个三向加速度测点。测点布置的原则是监控各电子设备在噪声载荷激励下的响应，通过附加约束阻尼层前、后试验结果的对比，验证其振动抑制效果。

图8 加速度测点布置示意图Fig.8 The layout of the acceleration measurement points

3.3 试验流程

产品就位后完成传感器安装，加载设备和测量设备调试，并进行预试验。为方便对比，首先开展未安装约束阻尼层状态试验，测量3种载荷条件下的加速度响应。然后安装约束阻尼层，完成同等条件下的噪声试验，以验证约束阻尼层的减振效果。

4 结果分析

4.1 加速度响应

安装约束阻尼层前、后的仪器安装板上各测点均方根加速度及抑制情况如表1所示。

表1 仪器安装板上测点的加速度响应Table 1 The acceleration responses at the measurement points on the instrument installation board

由表1可知，除个别测点外，大部分测点的加速度响应在安装约束阻尼层后较安装前均有不同程度减小。其中仪器设备安装处的随机振动加速度最多降低了4.75 dB，各测点振动均方根加速度平均降低1.56 dB（16.4%）。由此可说明，在仪器安装板上附加约束阻尼层后振动抑制效果明显。

4.2 功率谱分析

测点3的约束阻尼层安装前、后功率谱密度曲线对比见图9。从图中谱形上看，在200 Hz以下的中低频段减振效果明显，这与约束阻尼层布局设计根据仪器安装板一阶共振模态（60.6Hz）的应变能分布有关。

图9 测点3约束阻尼层安装前/后功率谱密度对比Fig.9 PSD of No.3 test sensor before and after constrained damping layer installation

5 结束语

本文首先简要介绍了约束阻尼层的应用情况和其减振基本原理；然后针对某航天器典型仪器安装板随机振动响应过大问题，通过仪器安装板动力学特性分析，得到共振模态下结构的应变能分布，据此设计了仪器安装板的约束阻尼层布局；最后针对航天器舱体通过噪声试验对比分析了同等噪声载荷下约束阻尼层附加前、后仪器安装板上的振动响应。结果显示，附加约束阻尼层后，仪器设备安装处的随机振动均方根加速度最多降低了4.75 dB，各测点振动均方根加速度平均降低1.56 dB（16.4%）。

本文的试验结果验证了约束阻尼层能在一定程度上改善航天器上仪器设备的振动环境，提升航天产品抗击噪声振动环境的综合性能，从而有助于提高航天器飞行的可靠性和安全性。

（References）

[1]徐赵东, 刘军生, 赵鸿铁, 等.粘弹性阻尼结构的优化设计[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版）, 2000, 32(4): 321-324 XU Z D, LIU J S, ZHAO H T, et al.The optimum design of the visco-elastic structure[J].Journal of Xi’an University of Architecture & Technology, 2000, 32(4): 321-324

[2]周劭翀, 刘靖华, 陈健, 等.粘弹性阻尼减振元件的动力学建模及工程应用[J].宇航学报, 2009, 30(4): 1346-1348 ZHOU S C, LIU J H, CHEN J, et al.Dynamic modeling and engineering application of the visco-elastic damping components[J].Journal of Astronautics, 2009, 30(4): 1346-1348

[3]谭峰, 周璞, 张志谊.粘弹性阻尼层设计的模态联合方法与实验[J].噪声与振动控制, 2010, 30(5): 25-29 TAN F, ZHOU P, ZHANG Z Y.Visco-elastic damping layer design using modal combination and its experimental study[J].Noise and Vibration Control, 2010, 30(5): 25-29

[4]KERWIN Jr E M.Damping of flexural waves by a constrained visco-elastic layer[J].The Journal of the Acoustical Society of America, 1959, 31: 952

[5]HU Y C, HUANG S C.The frequency response and damping effect of three-layer thin shell with visco-elastic core[J].Computer Structure, 2000, 76: 576-593

[6]CHIA C M, RONGONG J A, WORDEN K.Evolution of constrained layer damping using cellular automation algorithm[J].Journal of Mechanical Engineer Science, 2007, 222(4): 586-597

[7]徐卫秀, 王江, 邵英翠, 等.卫星支架附加约束阻尼层减振设计与分析[J].导弹与航天运载技术, 2015(5): 91-95 XU W X, WANG J, SHAO Y C, et al.Vibration damping design and analysis of additional constrained damping layer for satellite adapter[J].Missiles and Space Vehicles, 2015(5): 91-95

[8]黄加才, 李晓颜, 王建月, 等.电池安装支架的约束阻尼处理[J].宇航材料工艺, 2013, 43(1): 35-38 HUANG J C, LI X Y, WANG J Y, et al.Constrained damping treatment of battery bracket[J].Aerospace Materials & Technology, 2013, 43(1): 35-38

[9]周天朋, 毕京丹, 朱曦全.卫星过渡支架附加约束阻尼层减振效果验证[J].强度与环境, 2014, 41(2): 53-56 ZHOU T P, BI J D, ZHU X Q.Vibration suppression validation of satellite transition bracket with constrained layer damping[J].Structure & Environment Engineering, 2014, 41(2): 53-56

[10]于滢.含粘弹性阻尼层的结构减振实验研究与有限元模拟[D].长沙: 湖南大学, 2012: 1-4

（编辑：许京媛）

Constrained damping layer design and vibration suppression verification for vehicle instrument installation board

ZHANG Jiaxiong1, ZHANG Huashan1, CAO Xiaorui1, ZHANG Huijie2, WEI Xiaobiao3
(1.R&D Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China; 2.Aerospace Research Institute of Materials & Processing, Beijing 100076, China; 3.Hubei Sanjiang Hongfeng Control Equipment Co.Ltd., Xiaogan 43200, China)

To solve the problem of the vibration response overrun of a space vehicle’s instrument installation board excited by the acoustic load, a vibration suppression method of adding a constrained damping layer is put forward.First, the application and the principle of the vibration reduction of the constrained damping layer are discussed.Then with the typical instrument installation board of the vehicle as the research object, the vibration reduction is analyzed by comparing the vibration response before and after adding the constrained damping layer with the same acoustic excitation.The results show that reduction of the RMS acceleration response in the place of the instrument installation is nearly 1.56dB(16.4%) after the constrained damping layer is added to the instrument installation board.

space vehicle; instrument installation board; constrained damping layer; vibration suppression

TB535+.1

：A

：1673-1379(2016)05-0540-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.015

张家雄（1982—），男，硕士学位，主要从事载荷与力学环境设计。E-mail: zhangjiaxiong200@163.com。

2016-04-19；

：2016-09-13

国防基础科研计划基金项目（编号：JCKY2013601B）