空间桁架结构减振设计与试验验证

骆海涛，富 佳，王 鹏，王 巍，陈 宁

（1.中国科学院 沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，沈阳 110016；2.东北大学 机械工程学院，沈阳 110819）

随着航天器朝着大型化、复杂化的方向发展，空间桁架由于容易拆装、工艺性好、质量轻，且可以根据具体的需要进行结构的调节等优良属性得到了越来越广泛的应用，它也是国际空间站重要组成部分。空间桁架的主要应用在两个方面，一个是在空间桁架最顶端连接相关的光电学设备，用来分离电子设备从而降低相互间干扰；另一个是作为支撑结构，支撑空间大型可展开天线和卫星上的太阳帆板等。航天载荷里面装有精密光电学仪器，它往往和空间桁架连在一起使用。

空间桁架及其载荷通过运载火箭发射升空，运载火箭在发射过程中所经历的振动环境主要分为随机振动环境和低频正弦振动环境。随机振动主要是由起飞时的发动机排气噪声、跨音速飞行段的气动噪声和发动机燃烧室内的压力脉动等所引起的宽带随机振动。低频正弦振动主要是由pogo振动，发动机启动、熄火和级间分离所引起的弹体结构低阶模态自由振荡，由阵风和跨音速飞行段激波振荡所引起的弹体横行抖动，发动机不完全燃烧引起的低阶纵向振荡。这种低频的振动环境会使空间桁架结构遭到损坏，发生连接松散，结构件变形，性能下降的现象，同时这种振动会使光电学仪器精度下降，机械疲劳，电路瞬间短路、断路，甚至功能失效[1]。因此，对空间桁架及其载荷振动特性与振动抑制的研究很有必要[2-4]。

本文根据实际工程需要，采用在空间桁架管状结构上敷加黏弹性阻尼层的方法进行减振[5]。黏弹性阻尼层形式简单，不需要改动现有结构，质量轻，粘贴方便，阻尼性能优越，使用较少的材料就能达到较大的减振效果[6-8]。空间桁架具有延展性，取其中一小段不仅便于研究，而且研究成果也可以应用到整个大型空间桁架中。航天载荷是航天精密光电学仪器的载体，这些仪器对于宇航员的空中作业和航天事业的发展都起到关键性的作用。

传统空间桁架在减振上大多采用直接在长管上敷加约束阻尼层的方法，由于管道较长，刚度较大导致减振效果不佳。本文介绍的一种打断长管结构，在连接的多段短管上敷加自由阻尼层，通过胶黏剂和短管连接组成长管。这种结构和传统直接在长管上敷加约束阻尼层的结构相比尽管刚度有所降低，但减振效果更好[9]。此方法可以通过改变连接管的直径、长度来改变自由阻尼层的厚度、敷加位置和敷加面积，从而达到最佳的减振效果。

1 黏弹性阻尼材料的动态力学特性

弹性材料在被施加外力之后，其应力和应变几乎是同时增加或减小，二者的相位基本一致，应力-应变关系是一条直线，黏弹性阻尼材料和弹性材料不同，在被施加外力之后，应变滞后于应力[10-11]，滞后相位角为α，如图1(a)所示。应力-应变关系表现为一条曲线，如图1(b)所示。

在图1(b)中椭圆形曲线所包围的图形面积就表示结构经过振动后黏弹性材料消耗掉的振动能量，当黏弹性材料受到外界载荷作用产生弹性变形时，其应力-应变关系的数学表达式为

图1 黏弹性材料应力应变关系

这里采用复模态法来描述黏弹性阻尼材料性能，根据复模量定义（拉伸模量）

或者

其中：η是黏弹性阻尼材料的阻尼因子，它可以衡量黏弹性阻尼材料消耗能量的能力。η=Ε″/Ε′，Ε∗是黏弹性阻尼材料的复拉伸模量；Ε′是黏弹性阻尼材料复拉伸模量的实部，Ε″是黏弹性阻尼材料复拉伸模量的虚部，它决定了黏弹性阻尼材料消耗能量的多少。

2 空间桁架复合结构

空间桁架及其航天载荷结构的三维模型，如图2所示。

图2 空间桁架及其航天载荷结构

整个结构由长管、短管、上下盖板、左右盖板、前后盖板、连接方块和工装几部分组成。参试结构总重15.848 kg，材质为航天硬铝合金7075。

航天载荷箱体结构外部采用板状结构，内部为中空结构，各个面之间通过螺钉进行连接，连接方块六个面开有螺纹孔，通过螺钉和连接件、箱体结构进行连接；除了和箱体结构，工装接触的八个面，其余各面表面中心位置有直径18 mm，深度为2 mm的圆形凹槽，用于连接件定位；长管、短管和连接方块之间通过连接件用螺钉连接；底部的4个连接方块通过螺钉和工装连接，而工装通过螺钉和振动台连接。

空间桁架打断长管连接部位的阻尼层选用北京宇航材料研究所（703所）提供的成熟产品，厚度分别为0.8 mm和3 mm，材料为丁腈橡胶，其材料属性，如下表1所示。

3 振动试验

试验对象是原始长管的空间桁架结构与打断长管式新结构，在连接管上敷加自由阻尼层，通过胶黏剂与打断长管相连，打断长管通过连接件用螺钉和连接方块相连，如图3所示。

图3 打断长管连接断面

试验系统包括：激振系统、测试系统、数据采集系统和数据处理系统。试验装置包括振动台、控制仪、功率放大器、64通道B&K3660-D数据采集仪、B&K4508-B加速度传感器和电脑等。振动试验及分析的基本步骤如图4所示，振动控制仪输出的正弦扫频控制信号经功率放大器放大之后传递给振动台，电磁振动台分别沿X向、Y向和Z向激励空间桁架和航天载荷结构，各测量通道的加速度响应信号经过滤波和放大采集到电脑，经平均处理和分析，得到0～200 Hz范围内各测点加速度曲线。

图4 振动试数据处理流程图

通过对原结构和新结构进行X、Y和Z方向的正弦扫频试验，来评估两个方案的减振效果。试验过程中的照片如图5所示。

图5 振动试验现场照片

原空间桁架和航天载荷结构与打断长管式新结构在X、Y和Z方向激励下的载荷上同一加速度测点的加速度响应曲线，如图6－图8所示。

图6 X方向测点的加速度响应曲线

图7 Y方向测点的加速度响应曲线

这里，对空间比较关注的纵向激励情况下的减振效果进行分析。空间桁架的原始设计方案与打断长管式新方案在3个方向激励下载荷同一测点的加速度响应结果对比，如表2所示。

表1 阻尼层和约束层材料属性

表2 Z方向试验加速度响应对比

图8 Z方向测点3加速度响应曲线

通过两个设计方案的试验数据对比，可以看出打断长管式结构在0 Hz到200 Hz范围内在X、Y、Z三个方向上的加速度响应和最大加速度响应频率与原空间桁架结构相比均有降低，但共振频率略有所降低。其中X向对应加速度最大响应频率从18.25 Hz降到15.84 Hz，Y向对应加速度最大响应频率从22.64 Hz降到19.42 Hz，Z向对应加速度最大响应频率从132.75 Hz降到117.85 Hz。空间桁架和航天载荷结构在Z向的减振效果最为明显，加速度响应峰值最多降幅可达53.7%以上。

4 结语

本文介绍了一种打断长管式空间桁架及其航天载荷结构，并通过采用敷加黏弹性阻尼层对其进行减振设计。根据实际工况条件，对原始模型和新模型两种方案进行了振动试验分析，得到了打断长管式新方案结合在其连接处敷加约束阻尼层的方法对于航天载荷的减振效果更明显，质量也更轻的结论，并验证了新方案的可行性。另外，通过振动试验数据分析，使得黏弹性阻尼层在空间桁架和航天载荷结构上的减振效果有了更加直观和准确的评价，对于黏弹性阻尼材料在空间桁架结构和类似航天器上的应用具有重要的借鉴和指导意义。