分段约束阻尼层结构及其在空间机械臂减振中的应用

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4、动化培养单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2016年3月SegmentedConstrainedLayerDampingTreatmentanditsApplicationonVibrationSuppressionforSpaceRoboticArmByTIANShitaoADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofD

5、octorofEngineeringChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysicsChineseAcademyofSciencesOctober,2016摘要分段约束阻尼层结构及其在空间机械臂减振中的应用田士涛（机械制造及其自动化）导师：吴清文研究员摘要空间机械臂是完成空间站组装和维护任务的重要工具，由于臂杆的柔性，在轨展开之后机械臂末端容易产生振动。约束阻尼层是对柔性结构进行振动控制的有效方式，其机理是粘弹性阻尼层在剪切变形的过程中能将部分应变能转

6、化为热能。一种同时切断约束层和阻尼层的分段方法可以进一步提高约束阻尼层的阻尼特性，但是这种分段方法并不是对所有类型约束阻尼层都适用，本文对分段约束阻尼层的特性进行了研究，并以在研的空间站机械臂小臂系统为例讨论了如何在工程中应用约束阻尼层对柔性结构进行振动抑制。首先依据层间切应力连续假设，建立了分段约束阻尼层的有限元模型，这种模型在阻尼层极薄时仍然有较高的计算精度，比较了考虑和未考虑层间切应力连续条件的两种模型的损耗因子结果。结果表明，阻尼层极薄时并不能使结构获得较好的阻尼特性并通过试验对这一观点进行了验

7、证。损耗因子是通过模态应变能法计算得到的，作为定量衡量结构阻尼水平的标准。阻尼层内的剪切应变场和粘弹性材料的体积直接决定约束阻尼层的阻尼，其他参数都是通过影响阻尼层内剪切应变场进而影响结构阻尼。分段方法会在阻尼层内产生一个剪切变形集中区域，但是分段方法并不总能提高结构阻尼水平。依据已经建立的有限元模型，分析了分段方法以及其他材料尺寸参数对剪切应变场的影响，并用遗传算法对分段切口的数目和位置进行了优化。结果表明，阻尼层厚度变化对分段方法适用性有不同的影响，当阻尼层相对较薄时，阻尼层内剪切应变水平较高，分段

8、方法是适用的，但是阻尼层较薄时约束阻尼I中国科学院大学博士学位论文：分段约束阻尼层结构及其在空间机械臂减振中的应用层的阻尼特性通常较差。如果合理选择阻尼层厚度，分段的方法只有当阻尼层剪切应变水平较低时才适用，而提高基层和约束层的刚度或者采用剪切模量较小的粘弹性材料都可以提高阻尼层内剪切应变。当约束阻尼层结构以第一阶模态形式变形时，阻尼层内剪切应变水平较低，因此分段方法对于提高第一阶模态阻尼总是有效的，对于高阶模态阻尼，分段方法只对极柔性结构