粘彈性隔振器動力學性能理論及實驗研究.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,在粘彈性隔振器動力學性能建模、設(shè)計及計算等方面一直存在困難。為此,本文對粘彈性隔振器動力學性能涉及的關(guān)鍵問題進行全面而深入的理論與實驗研究,包括粘彈性材料的溫度譜模型、時溫疊加方法,結(jié)構(gòu)等強度力學模型及修正模態(tài)應(yīng)變能法,溫升計算方法。
　　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)分數(shù)微分模型和溫頻鏡像關(guān)系數(shù)學形式,提出了粘彈性材料的動力學性能六參數(shù)

2、分數(shù)微分溫度譜模型(Six-Parameter Fractional Derivative Model,簡稱 SPFDM)。SPFDM能直接利用動態(tài)機械分析實驗結(jié)果,對于損耗模量和損耗因子具有對稱性或非對稱性的情形均適用。SPFDM的參數(shù)具有明確的物理含義,推導了溫度譜模型參數(shù)的初值公式,并給出了參數(shù)辨識步驟。
　　粘彈性材料的動力學性能不僅與溫度有關(guān),還與頻率有關(guān),通常以時溫疊加平移得到的主曲線表征。為獲得更準確的時溫疊加曲線,

3、提出了一個基于廣義Maxwell模型的時溫平移方法(Generalized Maxwell Model Based Shifting,簡稱 GMMBS)。與傳統(tǒng)基于重疊窗口的時溫疊加方法相比,GMMBS不需要首先判斷重疊窗口的大小及存在性,能利用所有的實驗數(shù)據(jù)中包含的有用信息來計算平移因子。
　　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)的等強度力學模型,然后提出了計算隔振器動力學參數(shù)的ZMSE(Zhang Modal

4、 Strain Energy,簡稱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)的等強度力學模型。等強度力學模型能夠由隔振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接預(yù)測性能參數(shù),并且可按需要的安全系數(shù)設(shè)計具有等強度特性的隔振器。關(guān)于粘彈性隔振器動力學參數(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、隔振器對應(yīng)模態(tài)階次損耗因子幅值變化。以可等價為粘彈性夾層梁/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比分析了所提ZMSE的準確性。
　　粘彈性隔振器在振動過程中,會導致粘彈性材料溫度升高,尤其是當粘彈性材料具有高阻尼特性時,熱動力耦合現(xiàn)象明顯。針對一般的任意激勵,基于五參數(shù)分數(shù)微分本構(gòu)模型,建立了熱動力學耦合的控制微分方程,并推出了差分形式。針對工程上常見的穩(wěn)態(tài)諧波激勵,控制微分方程通過傅立葉變換可

6、顯著簡化,文中建立了相應(yīng)的溫升計算方法。
　　對粘彈性隔振器動力學性能提出的相關(guān)理論與方法還需要充分的實驗進行驗證。針對為多種粘彈性材料,進行了大量的動態(tài)機械分析實驗。定頻變溫實驗驗證了SPFDM溫度譜模型的準確性,并揭示了當材料存在次級轉(zhuǎn)變區(qū)時,溫度譜模型在該區(qū)域的誤差可能較大。變頻變溫實驗用以驗證GMMBS時溫疊加方法的準確性,同時發(fā)現(xiàn)粘彈性材料在變頻、變溫下的力學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。針對一種新