粘弹性复合材料阻尼器支撑臂的设计及振动分析

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由于运输成本与航天器内部空间的限制,空间可展开机构在航天领域的应用越来越广。为了完成高精度的航天任务,空间可展开机构必须有足够的抑振能力。空间展开支撑臂作为航天器部件的支撑结构,其结构及动力学性能对航天器的整体性能影响尤为重要。空间展开机构振动被动控制的关键是选择阻尼器材料以及确定阻尼器的最优配置位置。本文以球铰接杆支撑臂为研究对象,运用新型阻尼复合材料替代传统航天材料制成阻尼器,并根据能量原理确定阻尼器最佳配置位置,优化支撑臂的结构性能和动力学特性,提高支撑臂的刚度以及振动抑制能力,为开展复合材料在桁架结构振动被动控制领域的应用提供理论支持。根据空间球铰接杆展开支撑臂的收拢率、弯曲刚度理论模型以及杆件稳定性原理,以铝合金作为支撑臂杆件材料,确定支撑臂构型参数。根据该构型参数在ADAMS中建立支撑臂单元框架运动学分析模型,并求解支撑臂的理论性能指标,证明支撑臂展开的可行性以及构型参数的合理性。基于模态应变能法,结合复合材料的各向异性以及粘弹性材料的频变特性,建立复合材料和粘弹性材料的损耗因子计算模型,对比实验数据,验证该模型的正确性。根据损耗因子计算模型,确定桁架杆件的最佳铺层材料及铺层方式,并校核复合材料杆件的稳定性。建立以粘弹性层厚度为设计变量,等效模量和损耗因子最大化为优化目标的优化函数,确定粘弹性复合材料中粘弹性层的最佳厚度,设计出粘弹性复合材料阻尼器。基于耗能准则建立阻尼器优化配置目标函数,按照提出的目标函数以及支撑臂杆件的模态应变能分布趋势,确定阻尼器的最佳安装位置,并对比分析未配置阻尼器、随机配置阻尼器、最优配置阻尼器三种结构的动态特性,验证配置方案的有效性。根据该配置方案,确定粘弹性复合材料阻尼器的配置位置,以纤维增强复合材料作为杆件材料,完成复合材料支撑臂的设计。对比铝合金支撑臂和复合材料支撑臂的质量、理论刚度以及相同载荷激励下的静力学响应与动力学响应,综合评价铝合金支撑臂和复合材料支撑臂的结构特性以及振动控制效果,分析结果表明复合材料支撑臂在刚度与振动控制方面有明显的优势。
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