支承艙減振性能分析

沈林 秦川 胡 迪科 柳 征勇

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 2 01109)

支承艙減振性能分析

沈林?秦川 胡 迪科 柳 征勇

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 2 01109)

支承艙是運(yùn)載火箭與航天器之間的重要連接結(jié)構(gòu)，支承艙的振動(dòng)特性是力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)需要考慮的因素之一．本文從振動(dòng)環(huán)境控制的角度進(jìn)行支承艙結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，闡述了一種基于支承艙振動(dòng)特性研究的改善航天器力學(xué)環(huán)境的方法．在有限元建模過程中，引入了材料級(jí)性能試驗(yàn)．計(jì)算并比較了不同材料支承艙結(jié)構(gòu)對(duì)航天器振動(dòng)環(huán)境的作用，比較了連接面形式對(duì)振動(dòng)環(huán)境的影響．基于分析結(jié)果給出了進(jìn)一步研究的建議．

振動(dòng)環(huán)境， 振動(dòng)控制， 支承艙， 振動(dòng)測(cè)試

引言

運(yùn)載火箭主動(dòng)段飛行過程中，航天器在整流罩內(nèi)要經(jīng)歷復(fù)雜和嚴(yán)酷的振動(dòng)力學(xué)環(huán)境作用，為保證飛行可靠性，航天器均要進(jìn)行地面試驗(yàn)以考核其對(duì)力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性．隨著火箭飛行任務(wù)的不斷增加以及衛(wèi)星形式的多樣化，火箭需要適應(yīng)不同衛(wèi)星平臺(tái)、結(jié)構(gòu)布局、有效載荷和重量的變化，更需要為航天器改善主動(dòng)段力學(xué)環(huán)境、提供更為準(zhǔn)確、合理的環(huán)境條件，以適應(yīng)星上精密儀器的要求，減少衛(wèi)星不必要的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)環(huán)節(jié)，有利于節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)，縮短研制周期、降低整星的質(zhì)量、提高衛(wèi)星的壽命．國(guó)內(nèi)一般對(duì)于星箭界面振動(dòng)環(huán)境的匹配主要通過加強(qiáng)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)，或者增加整星隔振裝置來實(shí)現(xiàn)改善主動(dòng)段飛行振動(dòng)環(huán)境，兩種途徑均會(huì)帶來重量的損失，造成飛行器研制成本增加，降低了載荷比，不利于運(yùn)載火箭的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［2－7，9－10］．

運(yùn)載火箭支承艙是航天器與火箭之間的重要連接結(jié)構(gòu)，支承艙的振動(dòng)特性是星箭力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)的主要因素之一．本文闡述了一種基于支承艙振動(dòng)特性研究的改善航天器力學(xué)環(huán)境的方法，通過動(dòng)力學(xué)建模、材料級(jí)性能試驗(yàn)、支承艙結(jié)構(gòu)材料對(duì)比、支承艙結(jié)構(gòu)連接形式改進(jìn)等方面研究了對(duì)振動(dòng)環(huán)境的改善作用，提出了進(jìn)一步的研究方向．

1 動(dòng)力學(xué)建模

1．1 支承艙結(jié)構(gòu)

典型的運(yùn)載火箭與航天器連接方式如圖1所示，圖中支承艙(PSB，payload supported bay)結(jié)構(gòu)上端連接適配器(Adapter)，適配器上端與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)連接，整個(gè)星箭(SC/LV，spacecraft＆launch vehicle)連接結(jié)構(gòu)均在整流罩(PLF，payload fairing)空間內(nèi)．

圖1 整流罩內(nèi)星箭布局和支承艙結(jié)構(gòu)示意圖ig．1 SC/LV arrangement in fairing ＆PSB structure

支承艙結(jié)構(gòu)一般為錐形薄壁結(jié)構(gòu)，下端接口與火箭末級(jí)匹配，承受從結(jié)構(gòu)傳遞而來的振動(dòng)激勵(lì)，振動(dòng)環(huán)境通過上端與適配器結(jié)構(gòu)的匹配傳遞給衛(wèi)星．所以，支承艙結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性對(duì)星箭力學(xué)環(huán)境有著重要的影響．

1．2 有限元模型

針對(duì)支承艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有限元建模時(shí)以板殼單元為主、梁?jiǎn)卧o助的方式．為研究支承艙動(dòng)力學(xué)特性對(duì)星箭力學(xué)環(huán)境的作用，將支承艙模型與適配器、衛(wèi)星模型組裝成為組合體，如圖2所示．為研究不同結(jié)構(gòu)材料的影響，分別建立了金屬材料和復(fù)合材料的支承艙模型．

圖2 支撐艙和組合體模型Fig．2 PSB ＆ Assembly model

1．3 材料性能試驗(yàn)

支承艙模型中，材料屬性參數(shù)(如彈性模量E)對(duì)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響較明顯，金屬材料各向同性，其材料參數(shù)離散度較小，而對(duì)于復(fù)合材料支承艙，為了控制建模誤差，通過材料級(jí)性能試驗(yàn)研究其剛度、阻尼性能，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T18258－2000《阻尼材料阻尼性能測(cè)試方法》，采用一端固支懸臂梁的自由振動(dòng)衰減法測(cè)量．根據(jù)支承艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取不同鋪層數(shù)(不同厚度)的材料試片共90片進(jìn)行試驗(yàn)．

圖3 材料性能測(cè)試Fig．3 material characteristics test

表1 修正前后支承艙頻率對(duì)比Table 1 PSB frequency comparison between pre－modification＆post－modification

測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合材料試片實(shí)際彈性模量平均值約為理論值的70～80%，將復(fù)材支承艙材料剛度修正前后的固有頻率計(jì)算結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)對(duì)比，見表1，經(jīng)修正后，頻率誤差在3%以內(nèi)．

2 減振性能對(duì)比

研究金屬材料和復(fù)合材料組合體的頻率響應(yīng)．為便于對(duì)比，支承艙底部激勵(lì)條件設(shè)置為5～100Hz，1．0g．根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，金屬材料阻尼一般設(shè)置模態(tài)阻尼比為3～5%，復(fù)合材料較高，支承艙模型的阻尼設(shè)置時(shí)按照以上原則，復(fù)合材料支承艙結(jié)構(gòu)取6%．計(jì)算輸出星箭界面(SC/LV interface，SC/LV I/F)和衛(wèi)星質(zhì)心處的加速度響應(yīng)，見表2，復(fù)合材料支承艙組合體分析結(jié)果表明，衛(wèi)星質(zhì)心(SC CoG)響應(yīng)比金屬材料支承艙組合體響應(yīng)降低20%以上．

表2 振動(dòng)響應(yīng)仿真結(jié)構(gòu)對(duì)比－復(fù)合材料與金屬材料Table 2 vibration response simulation results comparisoncomposite＆metal material PSB structure

3 連接形式改進(jìn)

支承艙對(duì)星箭力學(xué)環(huán)境的作用效果需要通過適配器傳遞，其間的連接結(jié)構(gòu)是主要的傳立路徑，一般通過端面對(duì)接方式實(shí)現(xiàn)連接，為了研究對(duì)接方式對(duì)振動(dòng)環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)了以下仿真模型:(1)支承艙上端面內(nèi)翻邊－適配器下端面內(nèi)翻邊、(2)支承艙上端面外翻邊－適配器下端面外翻邊，與(3)支承艙上端面內(nèi)翻邊－適配器下端面外翻邊對(duì)比，見圖4．響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表3．表3 振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比－支承艙上端面連接形式

圖4 適配器下端面和支承艙上端面連接形式Fig．4 the connection form between adapter’s lower frame and PSB upper frame

Table 3 vibration response comparison－PSB upper frame connection form

Direction Response(g)/frequency(Hz)SC/LV I/F SC CoG(3) (2) (3) (2)inversion extroversion inversion extrovers ion lateral 2．80/24．4 1．91/30 10．3/24．6 9．46/30．4 11．79/90．212．25/92．2 7．43/90．4 8．27/92．4 axial 10．53/60 7．36/72．4 12．88/60 9．98/72．4

圖5 星箭界面響應(yīng)對(duì)比(橫向)ig．5 SC/LV I/F response comparison(lateral)

圖6 衛(wèi)星質(zhì)心響應(yīng)對(duì)比(橫向)Fig．6 SC CoG response comparison(lateral)

圖7 衛(wèi)星質(zhì)心響應(yīng)對(duì)比(縱向)Fig．7 SC CoG response comparison(axial)

支承艙上端面由內(nèi)翻改為外翻后，各階頻率提高，星箭界面和衛(wèi)星質(zhì)心位置的縱向、橫向一階頻率響應(yīng)特性有改善，界面響應(yīng)減低20%以上，質(zhì)心響應(yīng)降低約10%，說明外翻邊方案有利于振動(dòng)響應(yīng)的改善．對(duì)于內(nèi)翻邊方案(1)，其分析結(jié)果與方案(2)類似，這是由于兩個(gè)方案與(3)對(duì)比，改善傳力路徑的效果相同，縮短了支承艙與適配器端面連接的傳遞路徑．

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過地面振動(dòng)試驗(yàn)研究支承艙減振特性，試驗(yàn)對(duì)象為金屬材料支承艙組合體、復(fù)合材料支承艙組合體，在振動(dòng)臺(tái)上完成了傳遞特性試驗(yàn)，見圖8．在星箭界面和衛(wèi)星質(zhì)心位置安裝了加速度測(cè)點(diǎn)，部分傳遞特性對(duì)比見圖9～10．

圖9 橫向傳遞特性－支承艙底部至衛(wèi)星質(zhì)心Fig．9 Lateral transmissibility －PSB bottom to SC CoG

圖10 縱向傳遞特性－支承艙底部至衛(wèi)星質(zhì)心Fig．10 Axial transmissibility－PSB bottom to SC CoG

復(fù)材組合體與金屬組合體相比，橫向質(zhì)心一階放大系數(shù)降低約15%，縱向質(zhì)心放大系數(shù)降低約29%．

5 結(jié)論

分析了支承艙振動(dòng)特性對(duì)星箭力學(xué)環(huán)境的作用，研究了支承艙減振性能．在復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)建模時(shí)引入材料級(jí)試驗(yàn)結(jié)果，可提高模型精度．通過應(yīng)用復(fù)合材料和改進(jìn)艙段連接形式，對(duì)振動(dòng)環(huán)境具有較明顯的改善作用，在地面振動(dòng)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證．

針對(duì)復(fù)合材料層合板可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可進(jìn)一步研究其鋪層設(shè)置、角度等參數(shù)對(duì)振動(dòng)環(huán)境的影響，開展基于減振性能的艙體優(yōu)化設(shè)計(jì)．約束阻尼層材料在艙體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用也值得進(jìn)一步研究．

1 倪振華．振動(dòng)力學(xué)．西安:西安交通大學(xué)出版社．1989(Ni Z H．Mechanics of vibration．Xi＇an:Xi＇an Jiaotong University Press．1989(in Chinese))

2 Wilke P S，Johnson C D，F(xiàn)osness E R．Whole－spacecraf t passive launch isolation．Journal of Spacecraft and Rocket s，1998，35(5):690 ～694

3 王躍宇，冷力強(qiáng)，李志，李勇．星箭適配器(PAF)隔振技術(shù)的進(jìn)展．航天器環(huán)境工程，2007，24(1):43～46(Wang Y Y，Leng L Q，Li Z，Li Y．The recent development of vibration isolation technique of payload attach fitting．Spacecraft Environment Engineering，2007，24(1):43 ～ 46(in Chinese))

4 Wang Z，Liu L K，Zheng G T．Optimal design of cctostrut vibration isolation platform．Journal of Guidance，Control，and Dynamics，2006，29(3):749 ～753

5 Zhang Y W，F(xiàn)ang B，Chen Y．Vibration isolation performance evaluation of the discrete whole－spacecraft vibration isolation platform for flexible spacecraft．Meccanica，2012，47(5):1185～1195

6 Liu L K，Zheng G T，Huang W H．Octo－strut vibration isolation platform and its application to whole spacecraft vibration isolation．Journal of Sound and Vibration，2006，289(4):726～744

7 張軍，諶勇，駱劍，華宏星．整星隔振技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展．航空學(xué)報(bào)，2005，26(2):179 ～183(Zhang J，Chen Y，Luo J，Hua H X．Review of the whole spacecraft isolation techniques．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2005，26(2):179 ～183(in Chinese))

8 田利思等．MSC Nastran動(dòng)力分析指南．北京:中國(guó)水利水電出版社，2012(Tian L S et al．Guide to MSC Nastran dynamic analysis．Beijing:China WaterPower Press，2012(in Chinese))

9 馬興瑞，于登云，韓增堯，鄒元杰．星箭力學(xué)環(huán)境分析與試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展．宇航學(xué)報(bào)，2006，27(3):323～331(Ma X R，Yu D Y，Han Z Y，Zou Y J．Research evolution on the satellite－rocket mechanical environment analysis ＆test technology．Journal of Astronautics，2006，27(3):323～331(in Chiniese))

10 張軍，諶勇，張志誼，華宏星．一種整星隔振器的研制．振動(dòng)與沖擊，2005，24(5):35～38(Zhang J，Chen Y，Zhang Z Y，Hua H X．Thedevelopment of a kind of wholespacecraft vibrationisolation system．Journal of Vibration and Shock，2005，24(5):35～38(in Chinese))

? Corresponding author E－mail:salen_20@126．com

THE ANALYSIS OF VIBRATION REDUCTION CHARACTERISTICS OF PAYLOAD SUPPORTED BAY

Shen Lin?Qin Chuan Hu Dike Liu Zhengyong
(Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai201109，China)

Payload supported bay(PSB)is an important structure between launch vehicle and spacecraft(SC)，the vibration characteristics of PSB is a factor which must be considered in mechanical environment design．In this paper，the dynamical performance of PSB was studied for vibration environment control．A method to improve the mechanical environment of SC based on the research of PSB vibration characteristics was presented．A test for mechanical properties of structural material was introduced to build finite element(FE)model．The vibration environment of SC assembled on different PSBs which are made of different material was computed and compared．The influence of structural connection form between PSB and SC was also investigated．Further research was provided on the basis of the analysis results．

vibration environment， vibration control， payload supported bay， vibration test

20 June 2014，

16 July 2014．

10．6052/1672－6553－2014－053

2014－06－20 收到第 1 稿，2014－07－16 收到修改稿．

E－mail:salen_20@126．com