粘弹性阻尼器微振减振机理及试验研究

摘要

微振动问题广泛存在于高科技工业厂房、精密实验室、航天器等结构中，并严重影响其内部精密设备的运行。其中，空间微振动会严重影响高分辨率相机的成像品质、降低制导武器的命中精度、缩短精密仪器及航天器等的使用寿命，严重阻碍高精尖科技的发展。因此，进行微振动抑制研究是一项重要而紧迫的课题。目前，对于微振动抑制的研究，提出了各种技术手段，取得了一些成果。但是也存在一些问题，例如附加能源供应、电磁场干扰、时滞效应等，可能造成控制效果不稳定，并且这些问题在空间微振动控制上表现更加突出。同时目前提出的隔减振装置也存在阻尼小、隔振效率低等问题。因此，有必要对微振动控制进行进一步研究，提出更加简便、有效、稳定性好的控制手段。粘弹性材料及阻尼器因其耗能能力强、性能可靠、无需附加能源、制造简便、造价低廉等优点已广泛应用于航空航天、机械工程、土木结构、车辆工程及军事设施等领域振动控制中。科研工作者针对粘弹性阻尼器对普通振动的抑制进行大量的研究，其主要是关于粘弹性阻尼器性能研究、力学模型研究和减振结构的研究。但是，对于将粘弹性材料应用于微振动抑制缺乏相应研究，特别是微振动下粘弹性材料的减振机理、力学性能和力学模型等需要深入的研究。
　　本文以利用粘弹性隔减振装置进行微振动抑制为最终目的，围绕其开展了粘弹性材料的微振减振机理、粘弹性阻尼器微振动条件下相应力学性能及力学模型的研究。并基于以上研究，设计了粘弹性微振动隔减振平台，并利用该平台对航天器飞轮系统进行隔减振分析。建立了飞轮隔减振系统的耦合动力学模型，并对隔减振系统进行了动力响应数值模拟分析以及隔减振效果分析。本文的研究旨在对推动微振动抑制技术及粘弹性阻尼减振技术的发展。以下是本文研究的主要内容及结论:
　　(1)对基体橡胶分子链结构进行了抽象和等效分析，分别研究了基体橡胶中交联网络链和自由分子链的结构特性对粘弹性材料性能的影响。研究了交联网络链中链长不均匀性和链运动约束效应对粘弹性材料弹性恢复性能的影响;研究了自由网络链中链长不均匀性效应对粘弹性材料耗能的影响。结果表明，基体橡胶的力学特性主要与其分子链结构特性有关，且与位移幅值无关，说明将粘弹性材料应用于微振动抑制是可行的。
　　(2)研究了填料体系与基体橡胶作用、填料与填料间相互作用对粘弹性材料力学性能及耗能性能的影响，分别推导了考虑填料与基体相互作用、填料网络演化产生的耗能表达式。结果表明，填料的结构及体积分数对粘弹性材料耗能能力有较大影响。
　　(3)基于对粘弹性材料微观结构与其性能关系的研究，结合微振动特征，研究了粘弹性材料微振动减振机理。结果表明，微振动条件下，粘弹性材料的耗能主要来源于基体橡胶本身以及其与填料间的相互作用。该研究为微振动条件下高耗能粘弹性材料的研制提供了理论指导。
　　(4)基于粘弹性材料微振抑制机理的研究成果，研制了适用于微振动抑制粘弹性材料，并制作成相应的粘弹性阻尼器试件。在微振动条件下，对所研制的粘弹性阻尼器试件在不同环境温度、不同激励频率、不同位移幅值下进行了力学性能试验研究，分析了温度、频率和幅值对粘弹性阻尼器力学性能的影响规律。结果表明，所研制的粘弹性阻尼器在微振动条件下有较好的耗能能力，并且温度和频率对其力学性能有较大影响，而幅值的影响则较小。
　　(5)基于粘弹性材料微振减振机理和粘弹性阻尼器的力学性能试验研究，首先提出了粘弹性阻尼器的微观链结构模型。结合温频等效原理，最终提出了考虑温度影响的修正微观链结构模型，并对试验结果和模型计算结果进行了对比分析，发现二者吻合较好。表明所提出的力学模型能够综合反映温度、频率对粘弹性材料力学性能的影响。同时，修正微观链结构模型反映了材料的动态力学性能与材料微观结构的关系，且模型参数同粘弹性材料的微观结构相关，具有明确的物理意义。
　　(6)综合分析了航天器部件隔减振要求及飞轮结构特点，提出将粘弹性隔减振装置用于飞轮系统隔减振的方案。分析了飞轮结构的动力特性，以及其产生微振扰动的影响因素，并在此基础上确定飞轮系统微振动激励源模型。结果表明，飞轮系统产生并传递到航天器结构的微振扰动与飞轮的结构密切相关，且受飞轮结构模态的影响较大。采用高耗能粘弹性材料设计了飞轮系统微振动隔减振平台，并对平台的关键部件粘弹性隔减振单元进行研究。研究发现，由于粘弹性材料的频率依赖性，该单元的隔减振效果要优于普通隔减振装置。建立了飞轮微振动隔减振系统的耦合动力学模型，并在不同激励下分析了隔减振系统的动力响应和隔减振效果。结果表明，所设计的隔减振装置能够有效地抑制飞轮产生微振扰动对航天器结构的影响，并且对不同的激励均有较好的抑制效果。
　　本文的创新之处在于:
　　(1)开展粘弹性材料的微振抑制机理研究，在微观层面研究了粘弹性材料基体分子结构、添加剂和填料对粘弹性材料耗能能力的影响，为高性能粘弹性材料的研制和应用奠定了基础。
　　(2)对粘弹性阻尼器微振动条件下的力学性能进行试验研究，特别是研究了环境温度对阻尼器力学性能的影响。研究了微振动条件下环境温度、激励频率和位移幅值对粘弹性阻尼器力学性能的影响规律。
　　(3)基于粘弹性材料减振机理及性能试验研究，提出了可以同时描述粘弹性阻尼器温度和频率影响的修正微观链结构模型。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 微振动控制研究现状

1．2．1 微振动研究现状

1．2．2 微振动隔减振技术研究现状

1．3 粘弹性阻尼减振技术研究现状

1．3．1 粘弹性材料研究现状

1．3．2 粘弹性阻尼器研究现状

1．3．3 粘弹性阻尼减振结构研究及应用

1．4 本文主要研究内容

1．4．1 问题的提出

1．4．2 主要研究内容

第二章 粘弹性材料微振减振机理研究

2．1 粘弹性材料主要成分对其性能的影响

2．1．1 基体橡胶影响

2．1．2 添加剂组分影响

2．1．3 填料体系影响

2．2 基体橡胶结构与粘弹性材料性能关系研究

2．2．1 基体橡胶弹性网络链结构及特性研究

2．2．2 基体橡胶粘性网络链结构及特性研究

2．3 填料体系与粘弹性材料性能关系研究

2．3．1 填料对基体橡胶结构影响分析

2．3．2 填料与基体橡胶相互作用研究

2．3．3 填料网络耗能研究

2．4 粘弹性材料微振耗能分析

2．5 本章小结

第三章 粘弹性阻尼器微振环境动态力学性能试验

3．1 粘弹性阻尼器试'fen作

3．1．1 粘弹性减振材料组分

3．1．2 试件设计

3．1．3 粘弹性材料制备及阻尼器试件制作

3．2 粘弹性阻尼器动态力学性能试验概况

3．2．1 试验目的

3．2．2 试验系统

3．2．3 试验加载工况

3．2．4 试验过程现象

3．3 动态力学性能试验原理及方法

3．4 粘弹性阻尼器微振动激励下动态力学性能试验结果与分析

3．4．1 圆筒式阻尼器试验结果与分析

3．4．2 平板式阻尼器试验结果与分析

3．4．3 配方及加工过程的影响

3．5 本章小结

第四章 粘弹性阻尼器微振力学模型

4．1 粘弹性阻尼器力学性能的影响因素

4．1．1 环境温度的影响

4．1．2 激励频率的影响

4．1．3 位移幅值的影响

4．2 粘弹性阻尼器常用力学模型

4．3 粘弹性阻尼器微观链结构模型

4．3．1 粘弹性材料微观链结构

4．3．2 微观链结构模型

4．3．3 模型验证

4．4 考虑温度影响的修正微观链结构模型

4．4．1 粘弹性阻尼器修正微观链结构模型

4．4．2 模型验证

4．5 本章小结

第五章 粘弹性微振动隔减振系统研究

5．1 飞轮系统微振动控制方案

5．2 飞轮系统微振动特性分析及建模

5．2．1 飞轮系统结构

5．2．2 飞轮系统微振扰动因素

5．2．3 飞轮微振扰动模型

5．3 粘弹性微振动隔减振系统设计及动力模型

5．3．1 粘弹性微振动隔减振装置

5．3．2 粘弹性微振动隔减振平台设计

5．3．3 粘弹性微振动隔减振系统运动方程建立

5．4 微振动隔减振系统动力响应及隔减振效果分析

5．4．1 白噪声激励

5．4．2 不平衡激励

5．4．3 高阶谐振激励

5．5 本章小结

6．1 全文总结

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

致谢

参考文献

作者在攻读博士学位期间取得的成果