减振隔振与整星及全箭动态特性相互影响的研究

论文摘要

整星减振、隔振技术能够有效地改善卫星发射过程中的振动环境。设计减振和隔振系统,必然要综合考虑其与卫星、运载火箭整体的耦合作用。无论是采用减振还是隔振技术措施,均会在一定程度上改变全箭系统的动力学特性。动力学特性的变化有可能对系统的飞行控制系统造成不利影响甚至控制失稳,尤其是低刚度隔振装置的加入有可能使星箭系统的基频大幅下降。另一方面,大型运载火箭结构的基频最低可达到1赫兹左右,并且模态密集,卫星的基频最低可达到10赫兹以下。振动抑制对象的大柔性特点也为相对独立的传统隔振系统设计、优化提出了高要求。本论文以星箭支架附加约束阻尼层和一般隔振装置为对象,研究整星减振、隔振与整星及全箭间动态特性的相互影响,从全箭的角度研究减振隔振技术方案的分析和设计。本文首先归纳总结了约束阻尼建模技术和分析方法,并根据整星减振、隔振的工程应用特点,建立了星箭连接支架和能够描述多种构型隔振平台的一般隔振装置的有限元模型和分析模型,发展了约束阻尼层结构混合坐标建模方法。并提取了描述一般隔振装置动力学特性的特征参数。本文应用矩阵特征值摄动方法,建立了约束阻尼层附加刚度和质量与星箭固有特性变化的关系,研究了附加约束阻尼层后全箭固有特性的变化。分析表明,整星减振技术措施对全箭固有频率、模态振型、振型斜率的影响均很小;星箭支架变形能占全箭模态总能量的比例是约束阻尼层阻尼贡献的重要参考量。适当降低现有支架的连接刚度,增大支架在低频模态的模态应变能比例,能够提高约束阻尼层的低频减振效果。本文建立了任意星、箭组合通过一般隔振装置连接的全箭振动传递导纳,并在此基础上推导出全箭固有频率基于导纳的非小量摄动解析解;从基于局部非小量的结构重分析思路出发,以星、箭振动传递导纳为指标,讨论整星隔振对全箭固有频率、模态振型、振型向量以及星箭振动传递特性带来的影响。研究结果表明,卫星与运载火箭的质量相差悬殊,在现有的全箭系统中用隔振装置替换原有支架,不会对运载火箭的模态振型及与控制系统设计有密切联系的振型斜率产生明显的影响。本文根据全箭横向振动传递特性与隔振装置特征参数的关系,提出了“共振-反共振相消”参数配置方法,并以此来对隔振性能进行优化。论文的最后部分详细的介绍了FY-2结构星转接锥附加约束阻尼层的整星减振技术工程实施,结合试验指出大型复杂结构阻尼减振试验中需要重点注意的现象及其成因。在整星隔振试验方面,地面试验边界条件与实际工作条件具有一定的差异,这种差异可能严重影响阻尼减振效果评价的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、意义及目的
• 1.2 国内外研究状况综述
• 1.2.1 阻尼减振技术发展概况
• 1.2.2 整星隔振技术发展概况
• 1.2.3 减、隔振技术对全箭动态特性影响的研究方法
• 1.3 论文的主要工作
• 第2章 约束阻尼减振、隔振装置及全箭建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 支架附加约束阻尼层模型概述
• 2.2.1 星箭连接支架物理模型
• 2.2.2 星箭连接支架力学模型
• 2.2.3 星箭支架蜂窝锥壳等效建模
• 2.2.4 星箭连接支架附加约束阻尼层有限元模型
• 2.3 支架附加约束阻尼层全箭固有特性摄动模型
• 2.3.1 支架的Craig固定界面动态子结构模型
• 2.3.2 支架固定界面子结构阻尼矩阵
• 2.4 全箭摄动矩阵
• 2.5 整星隔振系统力学模型
• 2.5.1 一般隔振装置纵向力学模型
• 2.5.2 一般隔振装置横向力学模型
• 2.6 卫星有限元模型
• 2.6.1 卫星有限元模型
• 2.6.2 卫星自由状态固有动力学特性
• 2.7 运载火箭有限元模型
• 2.7.1 运载火箭有限元模型
• 2.7.2 运载火箭自由状态固有动力学特性
• 2.8 本章小结
• 第3章 约束阻尼层减振对全箭动态特性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 广义特征值摄动
• 3.2.1 矩阵特征值的估计
• 3.2.2 特征向量的估计
• 3.3 全箭模态参数摄动
• 3.3.1 全箭固有频率摄动
• 3.3.2 全箭振型相关性
• 3.3.3 全箭振型斜率摄动
• 3.3.4 全箭模态阻尼摄动
• 3.4 特征值摄动的改进
• 3.5 支架附加约束阻尼层全箭模态参数摄动实例
• 3.5.1 全箭模态参数摄动计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 隔振系统与全箭动态特性的相互影响
• 4.1 引言
• 4.2 星、箭、隔振装置耦合系统纵向动力学分析
• 4.2.1 星箭传递振动传递特性方程
• 4.2.2 星箭纵向固有频率摄动
• 4.2.3 星箭纵向传递特性
• 4.3 星、箭、隔振装置耦合系统横向动力学分析
• 4.3.1 星箭隔振横向耦合振动传递导纳
• 4.3.2 星箭横向近箭体固有频率
• 4.3.3 星箭横向固有频率摄动
• 4.4 星箭耦合系统横向振型、振型斜率
• 4.4.1 星箭耦合结构近零频模态
• 4.4.2 星箭耦合结构近箭体模态
• 4.5 星箭隔振装置参数匹配
• 4.5.1 共振-反共振相消参数配置
• 4.5.2 卫星隔振装置附加翻转约束机构
• 4.6 本章小结
• 第5章 减振、隔振试验影响因素分析
• 5.1 引言
• 5.2 整星阻尼减振试验
• 5.2.1 约束阻尼层方案
• 5.2.2 有限元模型及方案优选
• 5.2.3 约束阻尼层安装
• 5.3 约束阻尼整星减振试验及结果
• 5.3.1 结构星试验
• 5.3.2 结构星振动试验结果分析
• 5.4 整星隔振地面试验
• 5.4.1 地面试验系统纵向动力学方程组
• 5.4.2 地面试验系统横向动力学方程组
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历