一种新型复合材料黏弹阻尼杆设计

张少辉 陈海峰 张晓莉 柴洪友

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 北京空间飞行器总体设计部，空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京 100094)

一种新型复合材料黏弹阻尼杆设计

张少辉1,2陈海峰1张晓莉1柴洪友1,2

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 北京空间飞行器总体设计部，空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京 100094)

针对复合材料杆阻尼偏小的问题，文章提出了一种新型复合材料黏弹阻尼杆设计，通过将约束层分段来增大黏弹阻尼层的剪切变形，在保证较高轴向刚度的同时，大幅度提升了杆的轴向阻尼。完成了复合材料黏弹阻尼杆的设计、制造与模态试验验证。试验结果显示：该阻尼杆一阶轴向模态阻尼相比无阻尼杆提高了23.7倍，且轴向刚度相比无阻尼杆未有下降，验证了阻尼杆设计的合理性；此外，分析结果与试验结果吻合较好，说明了阻尼分析模型的正确性。该阻尼杆设计可应用于航天器中各类撑杆或桁架结构，以改善系统的阻尼特性，降低航天器结构在动载作用下的响应。

复合材料；黏弹阻尼杆；有限元

1 引言

在航天领域，复合材料杆系结构以其承载效率较高、构型自由、设计和分析简单等特点得到了广泛应用，尤其是适用于大跨距、高稳定复合材料的桁架结构。复合材料的阻尼虽然优于传统的金属材料，但在应用中仍显偏低[1-2]，出于减振和提高结构稳定性的需要，有必要对其做进一步的改进，以提高其结构阻尼。杆件结构一般可通过常规的约束阻尼来提高弯曲模态阻尼[3-5]，如詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)平台与光学有效载荷之间设计的隔振系统由4根复合材料阻尼杆组成[6]，美国TRW航天电子集团为保证星上精密光学部件的正常工作，在星体与光学有效载荷之间设计了隔振系统[7]，该系统由3根复合材料阻尼杆件组成，实现了在较低频率下的隔振。上述复合材料阻尼杆采用了约束阻尼结构形式，均可提高复合材料杆件的弯曲模态阻尼，但不能有效提高杆件的轴向模态阻尼。在桁架结构中，杆件一般承受拉压载荷，所以增加关键位置杆件在拉压载荷作用下的轴向阻尼，对提高整个桁架结构阻尼特性最为有利。1997年发射的由美国研制的瞬态事件快速在轨记录卫星(FORT)[8]上使用了一种阻尼杆，由铝合金材料和黏弹阻尼材料组成，成功抑制了发射载荷作用下的仪器板振动响应。其特点是，黏弹阻尼材料位于杆轴向的主传力路径，提高了杆的轴向模态阻尼，但是杆的轴向刚度下降较多，因此不能用于主传力路径，限制了其应用范围。

本文提出了一种同时具备较高轴向阻尼和刚度的新型复合材料黏弹阻尼杆设计，克服了现有阻尼杆轴向刚度下降较多的缺点，可用于结构主传力路径，通过模态试验，验证了阻尼杆的设计与分析，此阻尼杆设计可应用于航天器各类撑杆、桁架结构，以提高航天器结构系统的阻尼。

2 新型复合材料黏弹阻尼杆设计

为了提高复合材料杆件的轴向阻尼，一般采用增加阻尼层的方法，其机理是通过阻尼层的剪切变形来损耗振动能量，设计关键是如何增大承受轴向拉压载荷时的阻尼层应变能。众所周知，对于胶接管接头来说，胶层的剪切变形仅在接头两端的有限长度范围内较明显。基于上述变形特点，考虑到杆件轴向变形小且沿杆长度方向相对均匀，为了增大阻尼材料的剪切变形，可将阻尼材料分段，并沿杆轴向设计若干刚度突变区域，从而增大阻尼材料在杆件拉伸变形时的应变能和能量损耗。

本文提出的新型复合材料黏弹阻尼杆设计方法如下。

(1)沿杆长度方向上进行分段约束阻尼处理，合理选择杆本体和约束层的材料。杆本体为主传力路径，选择高强碳纤维复合材料，约束层选择高模量碳纤维复合材料，加大了黏弹阻尼层上下表面的刚度差，从而增大了阻尼层的剪切变形，增加了应变能损耗，进而提高结构阻尼。

(2)将复合材料杆本体进行分段开槽。利用胶接接头处胶层剪切应力分布特点，受应力集中因素影响，阻尼层在开槽处获得了较高的剪切效应，增加了剪切变形能量损耗，进而提高结构阻尼；同时通过合理设计本体铺层，保证杆在承受纵向拉压载荷时的强度满足使用要求。

(3)通过分段长度、黏弹阻尼层和约束层的厚度及铺层顺序等参数的优化，可实现轴向阻尼的大幅提高。通过上述设计，黏弹阻尼层不处于杆的主传力路径，从而克服了现有阻尼杆刚度和强度下降较多的缺点。

复合材料阻尼杆的设计要求是在满足强度要求的前提下，使阻尼和刚度达到最优。杆件本体采用高强碳纤维增强复合材料，先进行强度设计，确定原始杆件的铺层，然后再进行阻尼化设计，采用高模量碳纤维增强复合材料作为约束层，通过数值分析，优化阻尼层和约束层的厚度及分段长度来实现复合材料杆件的阻尼化。通过基于模态应变能法的阻尼特性数值优化，复合材料黏弹阻尼杆的设计参数如下：杆本体层选用高强T700/环氧树脂648复合材料，长度为550 mm，杆壁的内径为12 mm，铺层顺序为[±60°/0°2]2，0°铺层沿杆件轴向，单层厚度0.125 mm。在杆轴向间隔100 mm的位置加工4个U型槽，如图1所示，图1中1表示杆件，2表示法兰。每个槽深0.5 mm，宽0.2 mm，在每一段杆的外表面上粘贴0.1 mm的阻尼胶膜ZN-1(ZN-1是一种性能优异的黏弹阻尼材料，为丁基橡胶与酚醛树脂共混而成，已广泛应用于航天领域)。然后，在阻尼膜上覆盖约束层，铺层选用高模量M55J/环氧树脂648复合材料，铺层顺序为[0°3/±45°]，单层厚度0.125 mm。采用上述设计的阻尼杆轴向振动时，在高模量分段约束层作用下，黏弹阻尼层在杆本体开槽处两侧的剪切效应将会增大，从而实现轴向阻尼的提升。杆件两端采用J-135胶黏剂粘接铝合金法兰，提供阻尼杆的安装接口。阻尼杆横截面的组成及厚度如图2所示。

复合材料分段约束阻尼杆的制造采用了二次固化工艺，先固化杆本体，然后固化阻尼层及约束层。开槽采用激光切割工艺。对于60°、45°的铺层，采用缠绕成型工艺；对于0°的铺层，采用搓管成型工艺[9]，每铺一层后，均需要使用搓管机进行搓管，尽可能排出预浸料层与层间包裹进去的空气。

图1 复合材料黏弹阻尼杆设计示意图Fig.1 A schematic view of composite viscoelastic damped strut

图2 复合材料黏弹阻尼杆截面示意图Fig.2 A cross sectional view of composite viscoelastic damped strut

3 新型复合材料黏弹阻尼杆建模

基于有限元法的模态应变能法(Modal Strain Energy Method, MSE)是黏弹阻尼结构分析的最常用方法[10-11]，通过模态分析确定模态矢量，然后，通过结构损耗应变能与总应变能之比来确定阻尼结构的损耗因子。基于应变能法，阻尼结构的第r阶模态阻尼比可表示为[12]

(1)

图3 ZN-1动态性能曲线图 Fig.3 Dynamic property curves of ZN-1

图4 模态阻尼比迭代计算流程图 Fig.4 Flow of the modal damping ratio prediction

本文使用ANSYS7.0软件进行复合材料黏弹阻尼杆的有限元建模，选用的单元为SOLID46[18]，复合材料约束阻尼结构有限元模型的单元连接关系如图5所示，根据上述设计，复合材料黏弹阻尼杆的有限元模型如图6所示(两端法兰未显示)。

图5 约束阻尼结构有限元模型Fig.5 Finite element model of structure with constrained damping

图6 复合材料黏弹阻尼杆有限元模型Fig.6 Finite element model of composite viscoelastic damped strut

4 试验验证

为了验证复合材料黏弹阻尼杆的设计，获取一阶轴向模态阻尼比，设计了模态试验。试验还包含了相同尺寸的无阻尼复合材料杆的轴向模态阻尼比测试。试验验证时，杆件一端固支，另一端自由，为了降低杆的轴向振动频率，需要在杆的自由端附加配重块，通过预分析，不失一般性，配重块质量选为5.0 kg。在配重块象限线位置上布置4个三向加速度传感器(根据加速度信号，可判断杆振动是否沿轴线方向)，沿杆长度方向的1/3位置处布置2个三向加速度传感器。模态试验系统如图7所示，由图7可知，复合材料黏弹阻尼杆模态试验系统由力锤、试验件(配重块、复合材料黏弹阻尼杆)、数据采集器、加速度计等组成。采用单点激励多点拾振的方法获取模态参数，用力锤沿垂直方向激励试验件，将力激励信号和加速度响应信号导入LMS TEST Lab模态识别系统，由模态分析软件获取其固有频率和模态阻尼比。

图7 复合材料黏弹阻尼杆模态试验系统框图Fig.7 A schematic of modal test arrangement for compoiste viscoelastic damped strut

复合材料黏弹阻尼杆的模态测试结果与数值分析结果对比见表1。由表1可知，本文研制的阻尼杆一阶轴向模态阻尼比为4.27%，而未进行阻尼处理的复合材料杆轴向模态阻尼比仅为0.18%，轴向阻尼提高了23.7倍，复合材料黏弹阻尼杆在保持较高轴向刚度的同时，较好地改善了复合材料杆的拉压阻尼特性。另外，模态阻尼比分析结果与试验值存在12%的误差，而频率分析结果与试验值较为接近，表明本文所建立的阻尼分析模型可用于黏弹阻尼结构的阻尼特性分析。

表1 模态测试结果与分析值的比较

5 结束语

本文提出了一种新型复合材料黏弹阻尼杆设计，完成了阻尼杆的制造与试验验证。该设计在复合材料杆长度方向上进行分段约束阻尼处理，通过合理选择杆本体层和约束层的材料、优化分段长度、黏弹阻尼层和约束层厚度及铺层顺序，在保证轴向刚度的同时，实现了轴向阻尼的大幅提高。模态试验结果表明：该复合材料阻尼杆相比无阻尼杆，轴向阻尼可提高23.7倍；此外，阻尼和频率分析结果与测试结果吻合良好，验证了本文数值模型的正确性。本复合材料黏弹阻尼杆设计可应用于卫星各类撑杆、桁架式结构，有效改善系统的阻尼特性，降低动载作用下的响应。

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Design of A New Composite Viscoelastic Damped Strut

ZHANG Shaohui1,2CHEN Haifeng1ZHANG Xiaoli1CHAI Hongyou1,2

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China) (2 Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic System Technology and Applications，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094，China)

Aimed at the problem of low damping of composite strut, this paper proposes a new design of composite viscoelastic damped strut using the segmented constrained layer to enhance the shear deformation of the damping material for vibration energy dissipation. The advantage of the damped strut is that it can be used in main load transfer path and the axial damping can be substantially increased with high axial stiffness. The test article has been designed, fabricated and test. The test results indicate that the axial damping of the damped strut is raised 23.7 times compared with undamped strut with the axial stiffness undecreased. Numerical results correlate well with the test results proving the validity of the proposed FE model for damping prediction. This damped strut design can be used for supporting strut or member of truss in satellite structures to enhance system damping and decrease dynamic response.

composite；viscoelastic damping strut；finite element

V214.3

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.007

2017-06-20；

2017-07-03

国家重大航天工程

张少辉，博士，高级工程师，研究方向为卫星结构设计与分析。Email: ime2008@126.com。

(编辑：李多)