隔振器动力学参数测试方法研究

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1、隔振器动力学参数的测试方法研究王杰1，赵寿根1,吴大方1，罗敏2（1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191；2.中国空间技术研究院，北京100086）摘要：阻尼系数和刚度系数是隔振设计中分析隔振器性能的重要参数，其测试技术是确定相应数值的有效途径。针对大阻尼粘性流体微振动隔振器，本文提出一种测试多参数模型阻尼系数和刚度系数的简化测试方法。应用机械阻抗等效将多参数模型简化为便于测试的两参数模型，通过自行设计相应的试验测试平台，对等效参数及隔振器各组件刚度系数进行测试。将数据处理所得振动模型数据输入到Simulink仿真模型中，得到隔振器整体等效阻尼系数和等效刚度系数，并与

2、试验直接采用迟滞环法得到的对应参数进行比较，二者相对误差均在5%以内，有效地证明了本方法的可行性与可用性。本方法突出的优点为它还可以得到阻尼系数和刚度系数随频率的变化规律，对于隔振设计具有重要的参考价值。本方法可推广用于一般隔振器阻尼系数和刚度系数的测量。关键词：微振动隔振器；多参数模型；动力学参数测试；机械阻抗；迟滞环；中图分类号：V11，O328文献标识码：A文章编号:收稿日期:修订日期:(日期待编辑部填写)基金项目:CAST基金(201208)；国防基础科研计划(B2120110011)引言近年来，国内外航天技术取得了快速的发展，航天器种类和功能日趋多样化，结构形式日趋复杂。目前

3、，以高分辨率遥感卫星为代表的高精度航天器是研究热点之一，其具有严格的定位指向精度和分辨率要求，如美国最近发射的KH-13侦查卫星地面分辨率高达0.05m，这使得航天器各扰动部件传递到光学有效载荷的振动量级需衰减到微米甚至纳米量级，从而使得该类型的振动控制具有非常大的挑战性[1-2]。常用的振动控制方法有吸振、隔振和阻尼减振，为了使得动量轮、CMG的低频姿态控制力矩传递到航天器本体结构上而衰减其高频扰动，隔振是较为适合的一种方法。从上世纪九十年代初美国第一次将三参数微振动隔振器应用到哈勃望远镜以来，微振动隔振技术已经发展了二十多年，隔振类型也从单一的被动隔振发展为主被动一体化的新技术[3

4、-8]。其中以霍尼韦尔公司的Davis等人为代表发展了多种高性能的微振动隔振器，分析了其内在的隔振机理，给出了阻尼系数和刚度系数的试验机械阻抗曲线拟合获取方法，该方法能得出单一的阻尼、刚度数值，拟合误差较大，没有考虑粘性流体的阻尼、刚度系数随频率的变化规律及其对隔振性能的影响[9-11]。阻尼系数传统的测试方法有半功率带宽法、自由衰减法等[12-13]，这些方法的前提假设均为小阻尼，因此并不适合测试大阻尼隔振器的阻尼系数。常用的阻尼系数测试设备有万能材料试验机、凸轮试验系统和高频疲劳试验机等，由于微振动隔振器的振幅为微纳米量级，上述测试方法和测试设备也很难满足精度要求。此外，大多数的微

5、振动隔振器均为多参数模型，内含多个结构组件，因而很难直接测量得到内部组件的阻尼系数，从而给隔振器的设计、测试和性能优化增加了难度。为解决上述难题，本文采用机械阻抗等效的方法，将多参数模型简化为等效两参数模型，并设计了相应的测试平台，采用迟滞环法测试等效两参数模型的动力学参数，进而反推出多参数模型中的刚度和阻尼系数。在试验得到各组件动力学参数的基础上，建立测试对象的Simulink仿真模型，将测试结果与仿真结果进行比对，以验证本文方法的有效性。1机械阻抗等效理论1.1五参数模型如图1所示为一种航天器流体微振动隔振器的五参数模型，其包含刚度系数、、、和阻尼系数。其中刚度系数与阻尼系数串联，

6、然后与刚度系数并联，组成一个三参数模型块，其整体与刚度系数串联，然后与刚度系数并联。三参数模型块代表样机的内芯，代表样机的内筒刚度，代表样机的外筒刚度。阻尼系数主要由内芯油腔内的硅油因受挤压作用通过小孔，进而产生剪切效应耗散能量而产生，由于流体具有可压缩性，在流动过程中将同时产生与阻尼系数串联的体积刚度。因隔振器的质量较小，故在计算时可忽略其质量，如图2所示。图1五参数模型Fig.1Five-parametermodel图2简化五参数模型Fig.2Simplifiedfive-parametermodel由机械阻抗理论可知，弹簧元件的机械阻抗为，阻尼元件的机械阻抗为；并联系统的总阻抗等

7、于各要素阻抗之和，总的力为各要素力的和，串联系统各要素所受到的力相等，总阻抗的倒数等于各要素阻抗倒数之和[14]。由图2可知，三参数模型块的机械阻抗为(1)式中拉普拉斯算子，为振动圆频率，又因其整体与刚度系数串联，然后与刚度系数并联，因此五参数模型的总机械阻抗为(2)令(3)(4)(5)由此式(2)可简写为(6)1.2模型等效为了设计、使用和性能参数测试方便，五参数模型可进一步简化为如图3所示的三参数模型，其物理参数有刚度系数、和阻尼系数，与串