Design and Testing of a Novel Passive Isolator for a Space Optical Payload

一种用于空间光学载荷隔振的被动式隔振器设计与测试

杨剑锋^1,2,3,黄创绵^1,2,4,王远航^1,3,4,李锴^1,2,4

（1.工业和信息化部电子第五研究所,广州 510610;

2. 广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术中心,广州 510610;

3. 广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室,广州510610;

4. 广州电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室,广州510610）

创新点说明：

本文提出了一种构型新颖的用于空间光学载荷隔振的隔振器,该隔振器具有结构简单、环境适应性强、隔振效果好等优点。通过对其静态特性进行分析,推导得到隔振器的等效刚度模型,考虑到粘弹性阻尼材料其阻尼系数随激励频率和环境温度变化的特点,给出一种基于复刚度模型的分析方法。最后,设计、加工出了一套隔振系统的原理研究,并对其静态性能及隔振性能进行了测试试验。试验结果表明：本文提出的用于粘弹性阻尼材料动力学分析的分析方法有效,计算值与测试结果具有较好的一致性,设计的隔振器可以有效降低传递给光学载荷的振动。

研究目的：

设计一种适用于空间光学载荷在轨隔振的隔振器,并给出其隔振性能的分析方法。

研究方法：

复刚度理论、有限单元法;

试验仪器：HF-10型数显式拉亚测试机,气浮平台,力锤,频谱分析仪。

结果：

静刚度分析值与测试值的最误差大4.21%,最小误差为0.02%,模态分析计算值与测试结果几乎一致,隔振性能分析低频段分析值与测试结果吻合度较好,但高频段出现一定偏差。

结论：

本文设计的隔振器隔振性能较好,能适应不同空间光学载荷的隔振需求,文中提出的用于粘弹性阻尼材料动力学分析的分析方法准确、有效,适用于被动式粘弹性材料隔振器的隔振性能分析。

关键词：隔振器;粘弹性材料; 空间光学载荷

     

带约束粘弹性阻尼层结构的动态模型

本文从工程应用的观点,对约束层粘弹性阻尼结构的动态模型作了综述,它包括粘弹性材料的物理、数学模型,粘弹性阻尼结构的两种型式以及阻尼结构的动态模型及其动力分析方法。文中还对某些感兴趣的问题进行了讨论。     

粘弹性阻尼结构的递归神经网络优化

根据粘弹性阻尼结构减震理论及神经网络控制理论，提出应用带有偏差单元的递归神经网络(RNNWBU)进行粘弹性阻尼结构优化的新方法．该法通过对粘弹性阻尼结构进行神经网络优化设置，从而可以考虑不同地震动特性的影响．通过数值仿真分析，可看出该方法是对粘弹性阻尼结构的传统优化方法的进一步发展，因而具有更大的优越性，对推动结构控制理论的发展具有重要意义．     

广义Maxwell阻尼耗能系统非均匀响应精细积分精确格式

为建立粘弹性阻尼耗能结构系统响应的精确分析方法, 基于虚拟激励法, 提出了广义Maxwell 阻 尼耗能系统 (结构、阻尼器) 均匀与非均匀响应的精细积分精确格式。首先, 构建设置支撑的广义Maxwell 阻尼耗能结构模型, 通过扩阶方法建立结构动力方程; 然后基于高效的虚拟激励法, 提出了非均匀精细积 分一般精确格式; 最终建立了8 种具体经典调幅精细积分精确格式。该方法应用范围广、使用方便、具有代表性的特点, 为粘弹性耗能系统均匀与非均匀响应分析提供了方法。     

颗粒阻尼减振器的试验研究

本文阐述了隔振器的发展状况,说明了试验原理,设计了试验方法,并针对自行设计的颗粒阻尼减振器进行了试验,对其试验结果进行了分析和比较,结果表明:颗粒阻尼减振器的减振、隔振效果都明显优于橡胶隔振器和库仑摩擦阻尼复合隔振器,并克服了一般橡胶和粘弹性阻尼隔振器的缺点,是一种能在恶劣环境条件下工作的新型隔振器。     

装有粘弹性阻尼材料建筑结构的地震反应分析

为了减轻建筑结构的振动,作者将粘弹性阻尼材料安装于结构屋间以减轻结构地震反应,提出了装有粘弹性阻尼材料结构的动力分析方法,计算结果表明,装有粘弹性阻尼材料 效地减轻结构的地震反应。     

双层隔振系统减振器的弹簧刚度及阻尼设计

本文讨论了电子设备采用双层隔振时减振器弹簧刚度及阻尼的设计方法,推导了当考虑阻尼时减振器的设计公式。     

粘弹性界面对复合材料有效性能的影响

应用粘弹性对应原理分析计算了界面材料在剪切方面服从Burgers(四元件体）模型时,界面材料的粘弹性对单向纤维复合材料的有效性能的影响。结果表明,界面粘弹性只对单向纤维复合材料轴向剪切有效性能、横向有效性能产生对时间的依赖,而界面粘弹性对复合材料有效性能影响的大小与界面材料的特征时间大小有关。     

粘弹性材料动态特性研究的系统识别法

本文应用系统识别法研究粘弹性材料动态特性,给出了两种粘弹材料动态特性的实验结果,介绍了试验装置及微机测试系统。理论分析和实验结果表明,本方法对高阻尼粘弹材料是有效的。     

粘弹性阻尼结构的优化设计

根据粘弹性阻尼结构的性能及减震原理,分别利用时程分析法、随机振动理论和现代控制理论对粘弹性阻尼结构进行优化设计,并给出一实例分析,得出有关结论。     

大型履带推土机橡胶缓冲性能分析及参数优化

分析了大型履带式推土机应用的橡胶缓冲减振新技术的减振性能，提出了各参数取值必须符合减振作要求及结构约束。在此基础上对橡胶缓冲装置的结构参数进行了优化。     

具有分数导数粘性阻尼的单轴向隔振系统的隔振性能分析

对于阻尼器为高分子阻尼材料的隔振器,阻尼力和相对位移之间的关系用分数导数模型来描述,建立了具有分数导数粘性阻尼的单向隔振系统的控制方程,借助于分数导数的性质得到了隔振系统的绝对传递率和相对传递率,并讨论了相关参数对具有分数导数粘性阻尼的单向隔振系统隔振性能的影响.     

锻锤隔振基础动力特性实例分析

为了解决锻锤工作时冲击振动对环境的危害,以带混凝土配重块的锻锤隔振基础为例,从工程应用角度出发,根据振动理论建立了两自由度锻锤隔振基础体系模型,运用线性加速度方法计算冲击振动作用下的基础振动响应.同时还针对力学模型中的质量、刚度和阻尼等动力参数进行优化分析,并运用有限元方法分析混凝土配重块的冲击应力分布状况.锻锤隔振基础优化后的动态参数为:质量比60～ 110,隔振频率2.5～4.0 Hz,阻尼比0.2～0.3.     

钢／玻璃鳞片树脂复合减振板研制

采用两类特殊粘弹性物制备复合减振板。并进行了性能测试，减振及断裂分析，提出了临界断裂应力计算式。     

The influence of fiber type and conformation on the damping property of FRP composite

In order to get a fiber reinforced plastic(FRP) composite with good damping property as well as good mechanical properties, different types of reinforcing materials were used to reinforcing a damping resin. The influence of fiber types and conformation on the damping property of the composite are tested. Compared to the glass fiber(GF), carbon fiber(CF) can improve the damping factor of the composites; the highest tanδ value is 0.827 while the Tg is 22.5 ℃. The style of the fibers also influences the damping factors of the composite. The composite reinforced with mat has higher loss factors than that composite reinforced with clothe for the reason that the former has the ability to deform and the composite has higher resin content. The loss factor of GF mat reinforced composite is 0.704 while the Tg is 27 ℃. Both composite has good damping properties and can be used as the damping layer of the structural damping composite.     

碟形弹簧竖向减震装置的性能试验研究

基础隔震技术是目前应用最广泛的结构控制方法,但是,目前这种技术只是最大限度地减少或隔离水平地震作用,而对竖向地震作用几乎没有影响。为改善隔震技术在隔离竖向地震中的限制,研制了一种由碟形弹簧和粘弹性阻尼器组合而成的碟形弹簧竖向减震装置,并对其进行了在静载和动载作用下的力学性能试验研究,给出了该装置在竖向静力和动力作用下的等效刚度和阻尼比,建立了恢复力模型,试验研究表明,碟形弹簧竖向减震装置能有效的解决竖向大承载力和竖向阻尼的难题,力学性能优良且稳定,加工制作容易,是一种比较理想的竖向减震装置。     

水平-竖向复合隔震墩

为满足广大农村地区推广复合隔震技术的需要,在钢筋-沥青复合隔震层的基础上,开发了一种水平-竖向复合隔震墩,其能同时有效减轻水平地震作用和竖向地震作用对上部结构的影响.介绍了该隔震装置的构造、工作原理和设计理论,并以刚体质量块代替刚度较大的砌体建筑物,对水平-竖向复合隔震墩进行振动台模拟地震试验.结果表明,此复合隔震装置吸收了大部分地震能量,减震效果明显且造价低廉,适合于广大农村地区推广使用,具有良好的经济和社会效益.     

手扶拖拉机手把隔振设计

本文提出了手扶拖拉机手把隔振系统三自由度模型,介绍了采用高阻尼材料作为隔振元件,降低手把振动方法。实用结果表明,采用该方法明显地降低了手把振动。     

巨-子结构控制体系的参数优化及随机响应灵敏度分析

为了研究巨-子结构控制体系中隔震层的最优参数,建立了巨-子结构控制体系的动力微分方程,基于遗传算法理论以基底剪力最小为优化目标对结构的物理参数进行了优化.采用虚拟激励法和摄动法,分析了巨-子结构控制体系平稳随机响应对各参数的灵敏程度.通过主结构层问位移方差、隔震层层间位移方差、子结构顶层绝对加速度方差对各参数的敏感程度分析表明,各响应对子结构的层刚度敏感性最小,而对子结构层质量、隔震层层刚度以及隔震层阻尼较为敏感.     

渤海某平台磁流变智能阻尼隔振控制

目的 研究了利用主动变阻尼控制系统优化方法设计磁流变智能阻尼隔振平台结构，为实际工程利用磁流变阻尼器为结构减振设计提供方法。方法 采用ANSYS软件提供的结构刚度矩阵庞大，不易进行半主动和主动控制系统设计，根据ANSYS有限元分析提炼出简化计算模型，基于主动最优控制设计方法，设计了磁流变阻尼隔振系统，进行了冰激振动和地震动作用下的磁流变阻尼智能振动控制反应分析．结果 该平台半主动磁流变阻尼隔振体系对导管架端帽处最大位移和甲板处最大加速度均有很好的控制效果，隔振层位移满足采油工艺要求．结论 主动最优控制设计方法是一种很好的设计方法，具有广泛的应用前景；对于平台结构半主动磁流变智能阻尼隔振体系是较好的控制方案．