三参数流体阻尼隔振器及并联隔振系统的设计方法研究

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随着星载高敏感度有效载荷的应用,微振动逐渐成为制约其发展的瓶颈,因此,提高微振动控制水平是适应科技发展的需要。隔振技术作为振动控制最传统最重要的手段,其水平的提高依赖于隔振元件和隔振装置性能的提升。三参数流体阻尼隔振器(Zener模型)较传统两参数隔振器(Viot模型)拥有更好的隔振性能,但这种高性能隔振器及隔振系统的设计方法仍不完善,缺乏系统性的理论指导。本文研究来源于973项目子专题“XXX微振动传递与响应抑制方法”和上海市“晨光计划”项目“索网结构主被动隔振平台的隔振机理及与 CMG的耦合特性研究”,对高性能三参数流体阻尼隔振器及隔振平台的动力学设计进行系统的理论研究,具体研究内容和成果如下:  提出了一种广义非线性阻尼力模型。该阻尼力的表达式是位移与速度的相关函数,通过改变表达式中的参数该公式可用来描述常用的一些阻尼力,如库仑阻尼、线性粘滞阻尼、速度指数阻尼等。将其放入无约束两自由度隔振系统,采用摄动平均法分析了非线性阻尼力中各参数对隔振性能的影响,结果表明摩擦类阻尼不利于微振动的控制。推导并获得了无约束两自由度隔振系统的传递率表达式,将之与传统单自由度隔振系统的传递率公式对比后可以发现,无约束两自由度隔振系统可以转化为单自由度隔振系统,这对于隔振的相关实验研究具有一定的指导意义。  研究了复合载荷作用下U型波纹管的力学特性。在前人研究的基础上,研究分析了复合载荷(轴向均布载荷和压力载荷)作用下波纹管的刚度特性,并推导了复合载荷作用下波纹管的体积变形量的计算公式,为波纹管类隔振器中阻尼的相关计算提供了理论基础。采用有限元方法对理论结果进行验证,公式推导结果的准确性。  对采用U型波纹管的三参数流体阻尼隔振器进行了数学建模,并求得简谐位移输入时隔振器输出力特性和内部压力特性。利用复合载荷作用下波纹管的体积变形量公式和阻尼孔两侧的压力方程,根据连续性方程,得到波纹管和流体相互作用的耦合方程组。采用拉普拉斯变换法对方程组进行求解,得到简谐位移输入时隔振器的力学特性。采用双向流固耦合分析软件对隔振器进行建模与求解,将理论模型与仿真模型的结果对比后发现,两种模型的结果吻合良好,说明理论建模方法是准确可靠的,可以用于指导隔振器的相关研究。  建立了波纹管流体阻尼隔振器的结构参数与三参数模型的特征参数之间的联系,同时还建立起了三参数模型的最大内耗角频率与三参数隔振系统最优阻尼频率之间的联系。为了验证理论的正确性,设计了一种三参数流体阻尼隔振器,对其进行动刚度测试和基础激励下的传递率特性测试,实验结果表明设计的隔振器具有十分优良的隔振性能,还验证以上两个“联系“的相关结论是正确的,该研究成果对三参数隔振器和三参数隔振系统的设计具有非常重要的指导意义。同时文中还提出了三参数隔振器的“最优隔振质量”这个概念,这有助于三参数隔振器的推广使用。  采用频响函数的子结构综合法对基于三参数隔振器的并联支撑隔振平台进行建模研究,同时设计了一款基于三参数隔振器的隔振平台并对其进行了相关的实验研究。在隔振平台的建模中,采用三参数模型和集中质量来描述隔振器的轴向力学特性,采用带集中质量的无质量梁来描述隔振器的横向传递特性,对隔振器单机进行建模得到其总体传递矩阵。利用高性能的三参数流体阻尼隔振器搭建了一款多自由度隔振平台,对该平台进行不同隔振质量下的垂向和水平方向的振动传递特性测试。实验结果表明,该隔振平台具有十分优良的隔振性能。
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