整星宽频隔振磁流变阻尼器设计理论及试验研究

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火箭发射过程中会产生复杂的振动载荷,恶劣的振动环境对卫星安全造成了严重威胁。振动主要来源于火箭发动机的推力、气体脉动压力、噪声激励等,具有较宽的振动频带。目前卫星与火箭之间常采用刚性连接,这种连接方式使得卫星不得不承受复杂的振动载荷。如不采取适当的隔振方法,剧烈的振动不仅会影响卫星上仪器设备的精度,甚至会导致卫星发射失败。整星隔振作为一种有效的卫星隔振技术,已成为近年来降低卫星振动响应的研究热点。磁流变阻尼器作为一种理想的半主动隔振器件,具有可随振动工况变化而快速输出自适应阻尼的优点,逐渐成为半主动整星隔振领域重要的作动器之一,但宽频激励下磁流变阻尼器的力学模型及动态特性仍有待于深入研究。为此,本文完善了宽频隔振磁流变阻尼器的力学模型,对面向整星宽频隔振磁流变阻尼器设计方法、阻尼器动态性能测试和隔振系统试验展开了研究。研究结果对改善卫星发射过程中的振动环境具有重要意义。本文主要做了以下几方面工作:(1)建立了宽频隔振磁流变阻尼器的力学模型。基于磁流变液的本构关系,采用Bingham塑性模型推导了的阻尼力表达式;针对中高频激励工况,在准静态模型的基础上,考虑了液体的可压缩性、惯性以及气泡因素,建立了中高频激励下磁流变阻尼器力学模型。(2)基于建立的力学模型,对磁流变阻尼器进行了结构设计。使用Solid Works软件建立了磁流变阻尼器三维建模,分析了该阻尼器的工作原理。采用有限元分析软件ANSYS完成了阻尼单元的磁路设计及分析,获得了活塞工作区域处的磁感应强度,确定了结构尺寸,并对阻尼器进行了力学性能理论分析。(3)为了研究磁流变阻尼器的动态力学性能,加工、装配、测试了阻尼器样机。搭建了基于MTS的性能测试平台,对磁流变阻尼器进行了不同工况下的测试,将测试数据与理论仿真结果进行了对比。并分析了阻尼器的耗能特性、等效阻尼系数以及等效刚度等力学特性。(4)为验证磁流变阻尼器在整星隔振中的有效性,搭建了整星隔振试验系统,开展了基于磁流变阻尼器的整星隔振试验研究。系统试验结果表明,调节输入电流,可改变系统的传递特性,在一定程度上降低系统共振处的加速度传递率。
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