航天器儀器安裝板附加約束阻尼層設(shè)計與振動抑制驗證

張家雄，張華山，曹曉瑞，張會杰，魏小彪

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076；2.北京航天材料及工藝研究所，北京 100076；3.湖北三江航天洪峰控制有限公司，孝感 432000）

航天器儀器安裝板附加約束阻尼層設(shè)計與振動抑制驗證

張家雄1，張華山1，曹曉瑞1，張會杰2，魏小彪3

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076；2.北京航天材料及工藝研究所，北京 100076；3.湖北三江航天洪峰控制有限公司，孝感 432000）

針對某航天器儀器安裝板在噪聲載荷作用下振動響應(yīng)過大的情況，提出采取附加約束阻尼層的振動抑制措施。文章首先介紹約束阻尼層的應(yīng)用情況，簡要說明了約束阻尼層減振的原理；隨后以航天器典型儀器安裝板為研究對象，通過對比同等噪聲載荷下約束阻尼層附加前、后儀器安裝板上的振動響應(yīng)，分析了振動抑制情況。結(jié)果顯示，儀器安裝板附加約束阻尼層后，儀器設(shè)備安裝處隨機振動均方根加速度平均降低1.56 dB（16.4%）。

飛行器；儀器安裝板；約束阻尼層；振動抑制

0 引言

航天器在隨運載火箭上升段和再入返回飛行過程中均經(jīng)歷著各種極其復(fù)雜而嚴(yán)酷的噪聲振動環(huán)境。噪聲振動環(huán)境是一種誘導(dǎo)環(huán)境，是產(chǎn)生應(yīng)力的重要根源，可能引起航天器上產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)損壞、運行故障及功能失效等，甚至導(dǎo)致航天器飛行任務(wù)失敗。因此研究通過約束阻尼層實現(xiàn)聲振抑制具有重要的工程意義。

阻尼材料振動抑制的本質(zhì)是利用阻尼材料在振動作用下的變形，將振動動能轉(zhuǎn)化為變形能與熱能，達(dá)到減振目的。由于需要較大的損耗因子，阻尼層經(jīng)常采用黏彈性材料。近幾十年，國內(nèi)外學(xué)者一直采用有限元和試驗等手段研究黏彈性阻尼結(jié)構(gòu)的動力學(xué)問題，且主要集中在黏彈性阻尼結(jié)構(gòu)數(shù)模建模、布局優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用等方面[1-3]。早在1959年，Kerwin為進(jìn)一步提升減振效果，提出了在自由阻尼層的表面粘接一彈性層，通過阻尼材料產(chǎn)生的剪切變形來增加阻尼結(jié)構(gòu)的耗能性能，這就形成了約束阻尼結(jié)構(gòu)[4]，自此約束阻尼結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用。Hu等研究了附加約束阻尼層的兩端簡支圓柱殼、簡支板及懸臂梁的頻響函數(shù)[5]。Chia等使用細(xì)胞自動機算法，對于板狀結(jié)構(gòu)提出了約束阻尼層的鋪設(shè)方案[6]。

航天領(lǐng)域?qū)p振降噪的需求尤為迫切，對約束阻尼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也取得了良好的效果。徐衛(wèi)秀等針對某衛(wèi)星支架提出附加約束阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，并進(jìn)行減振效果有限元分析，預(yù)示結(jié)果與振動試驗結(jié)果基本一致，減振近 20%[7]。某航天產(chǎn)品電池在試驗中由于振動過大而出現(xiàn)故障，對支架附加約束阻尼結(jié)構(gòu)后，電池的功率譜密度共振峰值放大倍數(shù)下降50%[8]。周天朋等針對某型號衛(wèi)星的加速度響應(yīng)因經(jīng)過過渡支架的放大而導(dǎo)致星箭的界面振動條件過高，對衛(wèi)星過渡支架采用增加約束阻尼層的方法進(jìn)行減振，星箭界面加速度響應(yīng)減少15.1%～16.1%[9]。

某航天器儀器安裝板在噪聲載荷作用下，振動響應(yīng)較大，導(dǎo)致該安裝板上的儀器設(shè)備無法滿足動力學(xué)環(huán)境要求。本文通過儀器安裝板的動力學(xué)仿真分析得到共振模態(tài)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能分布，并根據(jù)應(yīng)變能分布給儀器安裝板設(shè)計約束阻尼層，最后分析同等噪聲載荷下約束阻尼層附加前、后的振動抑制情況。

1 阻尼層減振原理

1.1 阻尼層材料力學(xué)特性

黏彈性阻尼材料綜合體現(xiàn)了流體的黏性和固體的彈性兩種特性。黏彈性材料產(chǎn)生動態(tài)交變應(yīng)力和應(yīng)變時，一部分能量被儲存而另一部分能量被耗散；儲存的能量在外力釋放后恢復(fù)變形又體現(xiàn)為彈性，而耗散的能量則體現(xiàn)為黏性。黏彈性材料在力學(xué)上表現(xiàn)為應(yīng)變滯后于應(yīng)力，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)橢圓形狀，如圖1所示，橢圓曲線所包含的面積即為黏彈性阻尼材料所耗散的能量。

圖1 黏彈性阻尼材料應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve for visco-elastic material

黏彈性阻尼材料的能量耗散能力常用能量損耗因子β表示。根據(jù)復(fù)彈性模量的定義，則有E*=E′+jE″=E′(1+jβ)，β=E″/E′=tanα，式中：E*為彈性模量；E′為儲能模量；E″為耗能模量，它決定黏彈性阻尼材料受到交變應(yīng)力時的能量耗散能力；α為應(yīng)變滯后于應(yīng)力的相位角。因此損耗因子β是評價黏彈性阻尼材料能量耗散能力的重要參數(shù)。

1.2 約束阻尼層結(jié)構(gòu)

最初，研究人員將橡膠等黏彈性材料直接粘接在彈性結(jié)構(gòu)表面，構(gòu)成自由層阻尼（free layer damping），這種方法簡單實用。但隨著應(yīng)用深入，發(fā)現(xiàn)自由層阻尼通過拉壓變形損耗能量，阻尼利用效率低下。因此提出在黏彈性材料的表面粘貼一層金屬彈性材料約束黏彈性材料的變形，構(gòu)成被動約束阻尼（passive constrained layer damping）。其基本結(jié)構(gòu)是將一層具有一定厚度的黏彈性阻尼材料附加在彈性儀器安裝板上，然后再粘一層約束層，即約束阻尼層包括儀器安裝板、阻尼層和約束板，如圖2所示。

約束阻尼層主要承受剪切變形而耗散振動能量。有研究結(jié)果顯示，約束阻尼結(jié)構(gòu)的拉伸耗能遠(yuǎn)小于剪切耗能，因此其減振效果遠(yuǎn)優(yōu)于自由層阻尼[10]。

圖2 約束阻尼層Fig.2 Constrained damping layer

2 約束阻尼層設(shè)計

2.1 研究對象

本文以航天器整個艙體為研究對象，在混響室中開展噪聲試驗，并重點關(guān)注航天器艙體內(nèi)部儀器安裝板的振動響應(yīng)情況。典型儀器安裝板及儀器布局如圖3所示，儀器安裝板通過機械連接固定在艙體上。

圖3 典型儀器安裝板Fig.3 Typical instrument installation board

2.2 約束阻尼層布局設(shè)計

阻尼層的振動抑制性能與其結(jié)構(gòu)能夠承受的應(yīng)變大小有關(guān)，即能夠承受的應(yīng)變越大，阻尼層的變形越大，則損耗的能量越多。本文選取阻尼材料牌號為ZN-1，剪切模量為1.45 MPa。阻尼層厚度設(shè)計與結(jié)構(gòu)的頻率相關(guān)，頻率越高阻尼層厚度越小，一般在0.1～1 mm之間，本文選取0.2 mm，損耗因子為1.15。一般情況下，約束層剛度應(yīng)與約束板的剛度相當(dāng)，同種材料約束層厚度比約束板的厚度略小。本文中儀器安裝板為鋁合金材料，厚度為2 mm，約束板的材料選用普通鋼材，厚度為1.5 mm，模量為210 GPa。

確定阻尼層和約束板的參數(shù)后，需要對約束阻尼層在儀器安裝板上的布局進(jìn)行設(shè)計，在確保減振性能最優(yōu)的基礎(chǔ)上，減少不必要的質(zhì)量增加，降低安裝復(fù)雜程度。約束阻尼層布局設(shè)計是依據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能分布，確定安裝位置。應(yīng)變能即變形能，局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能越大，則意味著承受交變外力時儲存的能量越多，而在該位置安裝約束阻尼層能最大程度地耗散振動能量。因此，對儀器安裝板建立有限元模型，開展動力學(xué)特性分析，得到共振一階模態(tài)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能分布，如圖4所示，其中一階模態(tài)頻率為60.6 Hz。由圖可知，儀器安裝板局部區(qū)域存在法向面外變形。根據(jù)儀器安裝板一階模態(tài)的應(yīng)變能分布，完成約束阻尼層布局設(shè)計，如圖5和圖6所示，其中圖5的紅色區(qū)域是為典型儀器安裝板而布局設(shè)計的約束阻尼層。

圖4 儀器安裝板應(yīng)變能分布Fig.4 Strain energy distribution in the instrument installation board

圖5 約束阻尼層布局Fig.5 Constrained damping layer layout

圖6 約束阻尼層安裝后照片F(xiàn)ig.6 The constrained damping layer installation

3 噪聲試驗驗證

3.1 噪聲載荷條件

噪聲試驗條件依據(jù)火箭發(fā)動機試車試驗或者脈動壓力預(yù)示結(jié)果確定，本次試驗噪聲聲壓級譜見圖7，總聲壓級為140 dB。試驗時以此條件為基準(zhǔn)，開展-3、0、+4 dB三種載荷條件下噪聲試驗。

圖7 噪聲試驗聲壓譜Fig.7 Spectra of sound pressure in the noise test

3.2 測點布置

典型儀器安裝板上的加速度測點布置見圖8，共有7個三向加速度測點。測點布置的原則是監(jiān)控各電子設(shè)備在噪聲載荷激勵下的響應(yīng)，通過附加約束阻尼層前、后試驗結(jié)果的對比，驗證其振動抑制效果。

圖8 加速度測點布置示意圖Fig.8 The layout of the acceleration measurement points

3.3 試驗流程

產(chǎn)品就位后完成傳感器安裝，加載設(shè)備和測量設(shè)備調(diào)試，并進(jìn)行預(yù)試驗。為方便對比，首先開展未安裝約束阻尼層狀態(tài)試驗，測量3種載荷條件下的加速度響應(yīng)。然后安裝約束阻尼層，完成同等條件下的噪聲試驗，以驗證約束阻尼層的減振效果。

4 結(jié)果分析

4.1 加速度響應(yīng)

安裝約束阻尼層前、后的儀器安裝板上各測點均方根加速度及抑制情況如表1所示。

表1 儀器安裝板上測點的加速度響應(yīng)Table 1 The acceleration responses at the measurement points on the instrument installation board

由表1可知，除個別測點外，大部分測點的加速度響應(yīng)在安裝約束阻尼層后較安裝前均有不同程度減小。其中儀器設(shè)備安裝處的隨機振動加速度最多降低了4.75 dB，各測點振動均方根加速度平均降低1.56 dB（16.4%）。由此可說明，在儀器安裝板上附加約束阻尼層后振動抑制效果明顯。

4.2 功率譜分析

測點3的約束阻尼層安裝前、后功率譜密度曲線對比見圖9。從圖中譜形上看，在200 Hz以下的中低頻段減振效果明顯，這與約束阻尼層布局設(shè)計根據(jù)儀器安裝板一階共振模態(tài)（60.6Hz）的應(yīng)變能分布有關(guān)。

圖9 測點3約束阻尼層安裝前/后功率譜密度對比Fig.9 PSD of No.3 test sensor before and after constrained damping layer installation

5 結(jié)束語

本文首先簡要介紹了約束阻尼層的應(yīng)用情況和其減振基本原理；然后針對某航天器典型儀器安裝板隨機振動響應(yīng)過大問題，通過儀器安裝板動力學(xué)特性分析，得到共振模態(tài)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能分布，據(jù)此設(shè)計了儀器安裝板的約束阻尼層布局；最后針對航天器艙體通過噪聲試驗對比分析了同等噪聲載荷下約束阻尼層附加前、后儀器安裝板上的振動響應(yīng)。結(jié)果顯示，附加約束阻尼層后，儀器設(shè)備安裝處的隨機振動均方根加速度最多降低了4.75 dB，各測點振動均方根加速度平均降低1.56 dB（16.4%）。

本文的試驗結(jié)果驗證了約束阻尼層能在一定程度上改善航天器上儀器設(shè)備的振動環(huán)境，提升航天產(chǎn)品抗擊噪聲振動環(huán)境的綜合性能，從而有助于提高航天器飛行的可靠性和安全性。

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（編輯：許京媛）

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

張家雄（1982—），男，碩士學(xué)位，主要從事載荷與力學(xué)環(huán)境設(shè)計。E-mail: zhangjiaxiong200@163.com。

2016-04-19；

：2016-09-13

國防基礎(chǔ)科研計劃基金項目（編號：JCKY2013601B）