粘彈性隔振器動(dòng)力學(xué)性能理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、粘彈性隔振器在航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,但由于粘彈性材料的高度非線性,在粘彈性隔振器動(dòng)力學(xué)性能建模、設(shè)計(jì)及計(jì)算等方面一直存在困難。為此,本文對(duì)粘彈性隔振器動(dòng)力學(xué)性能涉及的關(guān)鍵問題進(jìn)行全面而深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究,包括粘彈性材料的溫度譜模型、時(shí)溫疊加方法,結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度力學(xué)模型及修正模態(tài)應(yīng)變能法,溫升計(jì)算方法。
　　粘彈性隔振器的關(guān)鍵要素之一是粘彈性材料。基于頻率譜五參數(shù)分?jǐn)?shù)微分模型和溫頻鏡像關(guān)系數(shù)學(xué)形式,提出了粘彈性材料的動(dòng)力學(xué)性能六參數(shù)

2、分?jǐn)?shù)微分溫度譜模型(Six-Parameter Fractional Derivative Model,簡(jiǎn)稱 SPFDM)。SPFDM能直接利用動(dòng)態(tài)機(jī)械分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于損耗模量和損耗因子具有對(duì)稱性或非對(duì)稱性的情形均適用。SPFDM的參數(shù)具有明確的物理含義,推導(dǎo)了溫度譜模型參數(shù)的初值公式,并給出了參數(shù)辨識(shí)步驟。
　　粘彈性材料的動(dòng)力學(xué)性能不僅與溫度有關(guān),還與頻率有關(guān),通常以時(shí)溫疊加平移得到的主曲線表征。為獲得更準(zhǔn)確的時(shí)溫疊加曲線,

3、提出了一個(gè)基于廣義Maxwell模型的時(shí)溫平移方法(Generalized Maxwell Model Based Shifting,簡(jiǎn)稱 GMMBS)。與傳統(tǒng)基于重疊窗口的時(shí)溫疊加方法相比,GMMBS不需要首先判斷重疊窗口的大小及存在性,能利用所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中包含的有用信息來計(jì)算平移因子。
　　在粘彈性材料研究的基礎(chǔ)上,首先建立了關(guān)于隔振器支架結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)度力學(xué)模型,然后提出了計(jì)算隔振器動(dòng)力學(xué)參數(shù)的ZMSE(Zhang Modal

4、 Strain Energy,簡(jiǎn)稱ZMSE)模態(tài)應(yīng)變能法。關(guān)于隔振器支架結(jié)構(gòu),基于小變形假設(shè)、莫爾定理及等強(qiáng)度梁理論,建立了隔振器結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)的等強(qiáng)度力學(xué)模型。等強(qiáng)度力學(xué)模型能夠由隔振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接預(yù)測(cè)性能參數(shù),并且可按需要的安全系數(shù)設(shè)計(jì)具有等強(qiáng)度特性的隔振器。關(guān)于粘彈性隔振器動(dòng)力學(xué)參數(shù),在分析了模態(tài)應(yīng)變能法和已有修正方法的原理及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出了一種基于損耗因子幅值的修正模態(tài)應(yīng)變能法ZMSE。ZMSE的修正因子隨粘彈性

5、隔振器對(duì)應(yīng)模態(tài)階次損耗因子幅值變化。以可等價(jià)為粘彈性?shī)A層梁/板的四參數(shù)原型系統(tǒng)和新型高阻尼航天載荷隔振器作為算例,通過與已有方法的對(duì)比分析了所提ZMSE的準(zhǔn)確性。
　　粘彈性隔振器在振動(dòng)過程中,會(huì)導(dǎo)致粘彈性材料溫度升高,尤其是當(dāng)粘彈性材料具有高阻尼特性時(shí),熱動(dòng)力耦合現(xiàn)象明顯。針對(duì)一般的任意激勵(lì),基于五參數(shù)分?jǐn)?shù)微分本構(gòu)模型,建立了熱動(dòng)力學(xué)耦合的控制微分方程,并推出了差分形式。針對(duì)工程上常見的穩(wěn)態(tài)諧波激勵(lì),控制微分方程通過傅立葉變換可

6、顯著簡(jiǎn)化,文中建立了相應(yīng)的溫升計(jì)算方法。
　　對(duì)粘彈性隔振器動(dòng)力學(xué)性能提出的相關(guān)理論與方法還需要充分的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)為多種粘彈性材料,進(jìn)行了大量的動(dòng)態(tài)機(jī)械分析實(shí)驗(yàn)。定頻變溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SPFDM溫度譜模型的準(zhǔn)確性,并揭示了當(dāng)材料存在次級(jí)轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí),溫度譜模型在該區(qū)域的誤差可能較大。變頻變溫實(shí)驗(yàn)用以驗(yàn)證GMMBS時(shí)溫疊加方法的準(zhǔn)確性,同時(shí)發(fā)現(xiàn)粘彈性材料在變頻、變溫下的力學(xué)性能除了水平向平移關(guān)系外,還可能存在較小的縱向平移。針對(duì)一種新