中高频激励下波纹管式流体阻尼隔振器动力学特性研究

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空间技术的发展对未来航天器提出更高要求。航天器控制力矩陀螺作为执行机构,正常工作时会产生高频微幅扰振,严重影响有效载荷的指向精度和工作性能。隔离这一类微振动是为有效载荷提供稳定力学环境的有效保障。波纹管式流体阻尼隔振器作为一种被动型阻尼器曾经在控制力矩陀螺隔振领域有过成功应用,但现有模型无法描述中高频激励下这类隔振器的动态刚度和阻尼机理,不能指导工程设计,因此必须建立中高频激励下波纹管式流体阻尼隔振器动力学模型,并分析波纹管式流体阻尼隔振器关键设计参数对其隔振性能影响。针对常规流体力学建模方法无法描述中高频激励下波纹管式流体阻尼器动态刚度和阻尼机理的局限性,从液压流体力学理论出发,首先以流体阻尼元件研究对象,基于小位移条件,考虑流体体积模量,采用解析方法,建立了考虑阻尼孔进口效应和不考虑阻尼孔进口效应的流体阻尼元件的动力学模型。在此基础之上,根据波纹管有效面积计算方法,进一步建立了考虑阻尼孔进口效应和不考虑阻尼孔进口效应的波纹管式流体阻尼隔振器动力学模型。然后采用流固耦合模型对理论模型的准确性进行了验证,结果表明,所建立的理论模型可以准确描述中高频激励下波纹管式流体阻尼器的动态特性。其中,考虑阻尼孔进口效应的模型在描述低粘度流动时要比不考虑阻尼孔进口效应的模型更为准确。基于所建立的中高频激励下流体阻尼元件的理论模型,推导了动态刚度和阻尼与隔振器关键设计参数及频率的关系式。在此基础之上,分析了位移激励下阻尼液粘度、阻尼孔孔径、孔长改变时对动态刚度及阻尼的影响。结果发现动态刚度来源于阻尼活塞运动行程内受压的流体。在隔振频带内,流体动刚度随频率增大,高频段时,小孔径阻尼元件的动态刚度存在稳定值,其值远大于隔振器的主刚度。此外,在高频段阻尼减小非常明显。基于所建立的波纹管式流体阻尼隔振器理论模型,推导了波纹管式流体阻尼隔振器隔振性能与关键设计参数及频率的关系式,在此基础之上分析了力激励下阻尼液粘度、阻尼孔孔径、孔长对隔振力传递率的影响。结果发现波纹管式流体阻尼隔振器共振峰得到了有效抑制,但高频隔振效果很差,分析发现高频段过大的流体动刚度是导致高频段隔振性能变差的原因,因此需要添加补偿装置,以抑制高频段过大的流体动刚度。研制了不含有补偿装置的波纹管式流体阻尼隔振器和含有补偿装置的波纹管式流体阻尼隔振器,并分别测试了两种隔振器的隔振性能,隔振性能指标为共振放大倍数和高频衰减率。对于含有补偿装置的隔振器,使用配重块进行了隔振性能的测试。采用所建立的波纹管式流体阻尼隔振器动力学模型对不含有补偿装置的隔振器测试结果进行了对比分析。结果发现:在测试工况下,对于不含有补偿装置的隔振器,虽然共振峰得到了有效抑制,但高频衰减率很差。而含有补偿装置的隔振器在高频段的隔振性能得到了明显改善,且共振峰也得到了有效抑制,测试工况下,共振放大倍数最小可以达到3.33,频率在100Hz时,高频衰减率要优于-30d B。因此,波纹管式流体阻尼隔振器在设计时通过添加补偿装置可以显著改善高频段的隔振性能。
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