（飞行器设计专业论文）空间科学实验柜被动式减振系统设计.pdf

摘要 载人航天二期我国将发展短期有人照料的空间实验室，将开展一系列空间科 学实验。国际空问站和我国神舟飞船实际微重力水平测量结果表明，需采取必要 的减振措施j 。能满足特殊科学实验要求，因此本文对空间科学实验柜被动式减振 系统进行了研究和设计。 根据空间科学实验柜在载人航天器内的实际安放状态，对其进行了减振布 局。将实验柜本身作为刚体，建立6 自由度的减振系统动力学模型，提出了减振 系统固有频率、振型及运动方程解耦的计算方法，以及减振系统在瞬态输入和随 机输入下响应的计算方法。然后在a d a m s 中建立了空间科学实验柜及减振系统三 维实体模型，对减振系统进行仿真，得出系统时域、频域及随机输入下的响应特 性。对减振系统参数进行优化，提高了系统的减振效果。最后，根据减振系统的 设计结果对减振器的设计进行了初步分析。 另外，在研究生学习期间，参与了固体润滑材料空间科学试验装置的设计 工作。 应用系统在神舟七号飞船上，将开展固体润滑材料和太阳电池薄膜材料在外 太空暴露下的性能变化及其失效破坏机制的研究。根据s z 一7 固体润滑材料空间 科学试验任务要求，光电研究院负责研制固体润滑材料试验装置及样品回收袋， 用于将材料试验样品固定在飞船轨道舱外，使样品经受低地球轨道环境中的原子 氧侵蚀，并保证航天员在出舱阶段可以方便地拆卸和回收样品。 试验装置采取了销钉式的锁紧与解锁方案，在设计上着重考虑了在满足科学 试验要求的同时，尽可能的使装置重量轻、体积小、强度和刚度满足要求；考虑 到本试验样品的回收要作为航天员首次出舱所完成的一项重要任务，将试验装置 的锁紧与解锁方案作为设计的重点。在设计中充分考虑锁紧与解锁的可靠性以及 解锁操作的安全性、复杂性、人机工效学等要求，使试验装置简单、可靠、安全 并且符合人机工效学要求。在详细设计的基础上，对试验装置进行了力学分析， 热分析，在理论上确保试验装置的安全可靠。最后加工出模样件，并进行力学环 境模拟试验，验证了试验装置的可靠性及方案的可行性。 关键词被动式减振系统微重力固有频率刚度系数阻尼系数减振器 a b s t r a c t t h es e c o n dp h a s eo ft h em a n n e ds p a c ef l i g h tp r o j e c tw i l ld e v e l o pm a n n e ds p a c e l a b sf o ras e r i e so fs p a c es c i e n t i f i ce x p e r i m e n t s v i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mi s i n d i s p e n s a b l ef o rb o t hi n t e r n a t i o n a ls p a c es t a t i o na n ds h e n z h o us p a c e s h i pt os a r i s f y t h er e q u i r e m e n to fs c i e n t i f i ce x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , t h ep a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n s y s t e mf o rt h es p a c es c i e n t i f i ce x p e r i m e n t a lr a c ki nm a n n e ds p a c es h u t t l eh a sb e e n s t u d i e da n dd e s i g n e d a c c o r d i n gt o t h ea c t u a lm o u n t i n g ，t h ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e ml a y o u ti s d e s i g n e d a sar i g i db o d y , 6 - d e g r e ed y n a m i cm o d e lo ft h es c i e n t i f i ce x p e r i m e n t a lr a c k i sd e v e l o p e d ，a n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sf o rt h en a t u r a lf r e q u e n c y , v i b r a t i o np a t t e m ， a n dd e c o u p l i n go fe q u a t i o n so fm o t i o na r ep r e s e n t e d ，a n dt h ea p p r o a c hf o ro b t a i n i n g s y s t e mo u t p u tw i t hi m p u l s i v ea n ds t o c h a s t i ci n p u t sa r ea l s od e m o n s t r a t e d a3 - d m o d e lo fe x p e r i m e n t a lr a c ka n dv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mi sc r e a t e di na d a m s ，a n d s y s t e mp e r f o r m a n c ei nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na r eo b t a i n e d t h es y s t e m p a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e dt oi m p r o v ei s o l a t i o np e r f o r m a n c e f i n a l l y , i s o l a t i o nu n i t sa r e a n a l y z e db a s e d o nt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m i na d d i t i o n ，ia l s od e s i g n e dt h es p a c ee x c r e m e n t a ld e v i c e sf o rs t u d y i n gs o l i d l u b r i c a t i o nm a t e r i a ld u r i n gm yg r a d u a t es t u d yp e r i o d t h es h e n z h o us e v e ns p a c e s h i pw i l lc o n d u c tr e s e a r c ho np e r f o r m a n c ec h a n g e s a n dt h er e a s o n so fd e s t r o yo fs o l i dl u b r i c a t i o nm a t e r i a lw h e ne x p o s e di ns p a c e i ti s r e q u i r e dt h a tt h es p a c ee x c r e m e n t a ld e v i c e sf o rs t u d y i n gs o l i dl u b r i c a t i o nm a t e r i a la n d as a m p l i n gr e c y c l es a c k ，w h i c hi su s e dt of i xt h es a m p l i n go u t s i d et h es p a c e s h i pt ob e e r o d e db ya t o m i co x y g e ni nt h el o we a r t ho r b i t a l s o ，t h ea s t r o n a u t sc a nt a k eb a c k s a m p l i n gc o n v e n i e n t l yw h e no u t s i d et h es p a c e s h i p t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e sh a v et or e d u c e w e i g h ta n dv o l u m e ，a n dg u a r a n t e e i n t e n s i t ya n dr i g i d i t yw h i l es a t i s f y i n gs c i e n t i f i ce x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t s a sa n i m p o r t a n tt a s kf o ra s t r o n a u t st ot a k eb a c ks a m p l i n g ，l o c ka n du n l o c ks c h e m e sa r e s p e c i f i c a l l yd e s i g n e d m a n ya t t e n t i o n sa r ep a i dt or e q u i r e m e n t so fr e l i a b i l i t ya n d o p e r a t i o ns a f e t y , c o m p l e x i t ya n dh u m a n - m a c h i n ee f f i c i e n c y b a s e do nt h ed e t a i l i i d e s i g n ，t h ed y n a m i ca n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld e v i c e sa n dt h e r m a la n a l y s i s a r e c o n d u c e di no r d e rt og u a r a n t e es y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds a f e t yt h e o r e t i c a l l y k e yw o r d sp a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mm i c r o g r a v i t yn a t u r a lf r e q u e n c y s t i f f n e s sc o e f f i c i e n t d a m p i n gc o e f f i c i e n t i l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何 其他人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或证书 而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 虢蛆嘿丝 ：厶之 关于论文使用授权的说明 本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：j 舡见证人：鞋日期 瑚67 。l - 1 序论 第一部分 空间科学实验柜被动式减振系统设计 1 1 选题的目的与意义 利用空间微重力条件开展各种有人参与或无人参与的空间科学实验是载人 航天器应用的重要内容。一般情况下，微重力流体科学实验、某些基础物理实验、 材料科学实验等对微重力环境有很严格的要求。生命科学、燃烧实验等对微重力 环境也有较高要求。 、“” j 圹 l 。i ，1 2 。“ 。 “州击。， “、 。”“”。 图1 2 空间基础物理实验所需微重力水平 赫眷萎警荔 、。0 黑，! ：? 乇， ，r i 。fe ，f j 譬；羔一兰= ， 囊蕊乏歹 x 纛：i 。 图1 3 空问牛命科学实验所需微重力水平图1 4 空间流体科学实验所需微重力水平 在国际空间站，理想状态下的微重力环境，可以满足部分科学实验的要求。 由于姿态控制系统、热控系统、空调系统、电源系统、太阳帆板运动和航天员活 动造成的振动可达到1 0 “g 的量级，这些因素使得其微重力水平低于理想水平， 振源主要可分为3 个频段 1 】： 1 、低频，0 0 0 1 h z ，主要由重力梯度和轨道空问大气阻力引起，由空间站的 布局和轨道选择决定。 2 、中频，主要集中在0 0 0 1 1 h z 之间，一般为瞬时产生，主要由载荷和宇 航员的行为引起。 3 、高频， l h z ，主要由水泵、压缩机、电动机、风扇、推进器点火等引 起。 图1 5 为国际空间站上理想微重力水平和实际微重力水平对比： p 兰 图1 5 空间理想的微重力水平与实际水平对比 我国载人航天工程一期对神舟飞船内部微重力测量及分析结果表明：在相对 平静时，x 和y 方向的微重力水平在0 2 5 m g ，z 轴微重力水平在0 5 m g ，能满 足部分科学实验要求，但仍然不能满足高微重力水平科学实验的要求。在e 船实 施轨控( 变轨、轨道维持、制动) 时最高扰动加速度可达1 1 0 m g ，轨道舱泄压、 轨返分离、调姿时最大扰动加速度可达1 4 0 m g ，有效载荷动作( 泵、电机、工位 转换等) 引起的不同程度干扰，有的高达几十m g ，这些扰动对一般的科学实验 具有较大的影响。载人航天- 期我国将发展短期有人照料的空问实验室，将开展 一系列空间科学实验，包括空间微重力科学( 流体、燃烧、材料科学、基础物理) 、 空问生命科学和生物技术，为了满足这些实验的要求，必须采取必要的减振措施。 图1 6 和图1 7 分别为飞船相对平静时x 方向的微重力水平。 旱1 口2 0 宴0 1 0 g0 0 5 8o o o 芸o0 5 堂一0 1 0 巴一o 1 5 全- 02 0 重一o2 5 m i s s i o ne l a p s e dt i m e s 图1 6 飞船相对平静时的微重力水平( x 2 路) f r e q u e n c y ，h z 图1 7 飞船相对平静时微重力频谱( x 2 路) 1 2 国外空间科学实验柜减振系统的研究动态 国际标准有效载荷机柜i s p r 的减振方式有两种：主动式减振和被动式减振。 主动式减振又可分为主动式机柜减振系统( a r i s ) 和单元级隔振系统( 包括加拿 大的m i m 、g - l i m i t ，s t a b l e ) 。( 2 j 被动减振没有电子学与控制系统，只是依靠各 种阻尼器来实现减振。a r i s 主动式减振系统通过在i s p r 和振动源之间起到减振 器的作用，进而保护机柜中精密的实验免于受到潜在的可能影响试验结果的外界 因素影响。a r i s 的工作原理是，加速计感应外部的振动，并通过滤波器把数据 传给控制器，控制器开动制动器来抵消外部的振动。与i r i s 剥整个e x p r e s s 机 柜进行减振所不同的是，单元级减振系统只针对具体的有效载荷进行减振，而且 还具有成本低、开发周期短等优点。表1 - 1 为这l 种减振系统的优缺点比较： 表1 - 1 国外常用减振系统性能对比 优点缺点 被动式减振低成本 只能削减高频 f 1 1 0 h z ) 系统低维护费用 占用空间较大 可靠性高不能削减由载荷本身引起的振动 无需能源易引起共振。 主动式减振低频衰减不能削减由载荷本身引起的振动 系统 单位体积耗费能源较少对航天员的活动比较敏感 标准用户界面维护费用高 单元级减振衰减低频振动单位体积能耗比较大 ( m 、 能削减由载荷引起的振动载荷重量较小，限制较严格。 g - l i m i t 和 可对单个载荷隔振 s t a b i 正) 1 2 1p d s ( p a s s i v ed a m p i n gs y s t e m ) 减振系统 p d s 被动减振系统是由波音公司研制，已应用在国际空间站美国实验室中的 h h r 和c i r 两种i s p r 机柜中。被动减振系统主要由两部分组成：上部隔振器 件和下部隔振器件。1 3j 上部减振器安装在i s p r 的上前方与u s l 的纵梁之间。u s l 纵梁是膝状拉杆的安装点，膝状拉杆在i s p r 和u s l 之间提供刚性连接。下部隔 离器件安装在u s l 支架结构和i s p r 的下部安装点之间。当机柜安装在空间站 上时，顶部的4 个减振器安装在一个蝴蝶形的支架上，底部具有6 个减振器器， x 、y 、z 每个方向上两个。如图1 8 所示： 图1 8p d s 被动式减振系统 s ll o n g e t o n t t j n g p d s 减振技术包括气体的和液体的阻尼器、限幅阻尼器、磁场阻尼器、精眭 塑料阻尼器、空气弹簧和机械弹簧。p d s 使用的是空气阻尼器和金属弹簧减振器， 这种减振器的优点是非常低的动态和静态摩擦、阻尼曲线随着频率降低，不用考 虑液体泄露。如图i 9 ： 图1 9 p d s 减振器 1 2 2p a r i s ( p a s s i v er a c ki s o l a t i o ns y s e m ) 减振系统 p a r i s 与p d s 在结构上大同小异，当机柜安装在空间站上时，两个p a r i s 隔 离器也同时由航天员安装上，顶部的隔离器安装在一个蝴蝶形的支架上，底部具 有6 个隔离器，x 、y 、z 每个方向上两个。图1 1 0 为p a r i s 被动式减振系统的 示意图。 1 3 减振方案的确定 图1 1 0p a r i s 被动式减振系统 考虑到我们进行空间科学实验的实际情况，空问科学实验柜整体的主动减振 系统较复杂，功耗较大，需要航天员在轨安装并激活。此外，不是所有的科学实 验有效载荷都需要较高的微重力环境，如果整个机柜采用主动减振，将对结构和 控制等部分的研制带来较大的压力，而且地面主动减振装置的试验和仿真需要较 大的代价，因此在现阶段暂时不考虑。而被动式减振系统具有低成本、低维护费 用、可靠性高、无需能源等优点。因此在现阶段我们主要考虑被动式减振系统， 本课题主要设计一套对实验柜整体减振的被动式减振系统。 2 空间科学实验柜减振系统动力学模型及动力学方程 2 1 减振系统动力学模型及动力学方程 空间科学实验柜的动力学模型是一一多自由度、多输入的复杂系统。为了提高 精度，需增加模型的自由度，使计算结果更接近实际系统的振动情况：当然随着 自由度增加，建模难度增大，计算量也随之增大。根据实验柜在载人航天器内的 安放状态，将实验柜作为刚体，建立6 自由度的系统动力学模型，如图2 1 所示。 在空间科学试验柜x 、y 、z 轴方向共放置十个减振器，其中茗轴四个，y 轴两个， z 轴四个。这十个减振器共同作用使系统可实现三个方向平动，三个方向转动， 构成了一个六自由度的弹性耗能系统。 在布局中，主要考虑定坐标系与实验柜质心主轴重合，减振器弹性主轴都沿 实验柜的惯性主轴的方向，且对称分布，这样可以使系统六个自由度的运动部分 解藕。 5 。6 图2 1 系统人自由度动力学模型 设其六个自由度的广义坐标分别为z 、z ：、z ，、z 。、z ，、z 。 z 1 实验柜沿x 轴的水平位移 z ：实验柜沿y 轴的水平位移 z ，实验柜沿z 轴的水平位移 z 。实验柜绕x 轴的转角 z ，实验柜绕y 轴的转角 z 。实验柜绕z 轴的转角 ，：，l ，实验柜几何尺寸 ，1 ，2 ，3 实验柜绕x 、y 、z 轴的转动惯量 墨墨。十个减振器的刚度系数 r = ；埘。2 + ；埘：2 + 圭埘，2 + 三z 4 2 + 吉，：a , 5 2 + 圭埘。2 c z 肛；辉+ 警埘+ j 删专罴彳。， + j 1 暇+ k 。x g z 0 2 毛罴( z 2 + 谢+ ；坞霉+ ：鹕+ w 一 。= ；( c l + c z ) 2 7 + i ( c ，+ c 4 ) ( 2 - + 厶2 s ) 2 + ；( c 5 + c 6 ) ( l 4 之) 2 + ：ic c ，g + c c j o l 0 2 2 2 。一。， + 弘1 + c ) ( l 3 z s ) 2 + j 1 丽c 7 c sl z 2 + 三：2 。) 2 + ：c 毒+ 尹1 2 ，+ 厶2 。) 2 则系统的是势函数为：l = t v 根据拉格朗日方程瞄】：丢( 盖) - 面o l + 面o d q = 。 由此得系统振动微分方程组： m z l + ( c x + c 2 + c 3 + c 4 ) z 1 + ( ( i + c 4 ) 上1 2 5 + ( ，l + k 2 + 五，3 + k 4 ) z 1 + ( ，3 + k 4 ) 上。z 5 = 0 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 掣器靠边靠础州罴+ 哉心。， + 盖够。= 。 。 m z 3 + ( c 5 + c 6 ) z 3 + c 6 厶z 4 + ( k + 民) z 3 + k 6 巧z 4 = 0 i # 4 + c 6 l 3 2 3 + c 6 l 3 2 24 + k 工3 2 3 + k 士；z 4 ；0 ，：五+ ( c 3 + c 。) 厶2 。+ 【( c 34 c 4 ) z 1 2 + ( c 5 + c 6 ) l 2 z 2 ，+ ( k + 9 4 ) l i z ， + 【( 点，3 + ，4 ) 2 + ( ，5 + ，6 ) 如2 z ，= 0 l z 6 - i - 器鼬( c 2 + c 4 峥器蛳罴毕： + 【( k z + k 4 ) l 2 3 + j 丽k 7 k s - 2 z 】z s 2 。 以上动力学方程的矩阵形式为： m 怍) c 水) “k z ) = 其中： m 质量矩阵( 6 x 6 阶) c 阻尼矩阵( 6 x 6 阶) k 刚度矩阵( 6 x 6 阶) f 1 激励力向量 9 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 21 1 ) m 】= 叫= 【c - m00 0m0 0om 0 00 0o0 o00 00 0 000 000 1 1 00 0 1 2 0 00 1 3 墨+ k 十鹄+ 墨0 0 0 0 ( 坞+ k 地 0 q + g + g + q 0 0 0 鸭+ c 4 鸠 0 2 2 运动方程求解方法 2 2 1 固有频率和振型 00 00 坞+ kk 厶 硌k 0 00 00 ( k + k 碍 0 0 0 ( 墨十k 冯2 + 蚝+ k 坞2 0 0 鱼坠l 墨+ k 0 0 0 暇+ 墨灯+ 罴2 00 ( c 3 + c 4 h 0 000玉生l g + g c + e 弘；0 0 e 0 0 o 00 妈+ c 4 地2 + ( e + c 6 蚵0 。 。 ( c 2 蝴2 + 器l 1 令式2 1 1 中 c 】= 【0 ， f ) = 0 ) ，就得到无阻尼自由振动方程式 2 8 】 m 水) + + x t z ) = o ( 2 1 2 ) 现将位移函数 z p ) 用振幅矢量 “) 和圆频率p 表示，即 z ) = “) e ” ( 2 1 3 ) 将式2 1 3 代入式2 - 1 2 ，便有 m 缸) ( 一p 2 c 9 ) + 瞄 恤扣”= 0 1 ，即有 k u t = p 2 m 恤 ( 2 - 1 4 ) 0 簧 群薹丽 器 。一 方程2 1 4 可进一步写为： ( 瞵卜p 2 【m 】) 缸) = 吣 ( 2 1 5 ) 这是关于 u ) 的六个分量的六元一次齐次方程式，当其满足 d e t ( k - p 2 阻】) = 0 ( 21 6 ) 时，方程存在非零解。 式2 一1 6 具有六个正实根，也即六个p 2 为固有值，则其平方根p = h ，w 2 ，w 6 即为系统的固有圆频率。 将六个固有频率值代入2 1 5 就可以确定每个振型的固有矢量： 恤q = “：7 “! n ( 21 7 ) 川习 方程两边左乘眇 7 可得： u r 【 f 【u 牙) + 【u r c e 厂 + u r k u q = 【u r f ) ( 2 1 9 ) 而 u r m i u 】， 7 c l u ，【u r k i u 】为对角矩阵，即： f m o o o 1 m “) 】_ 【u 】m 【 ，】= 0 0 i ( 2 2 0 ) 1 0 0m j t c ( n - = t u ，7 t c ，r u ，2 。：点， c 。一z ， ck“，=r，7kiu，=k0。-?曼0，cz一22)0 0 “】= r 】= l ( 2 一 ik ( 6 j 其中【m 1 ， c ) 】，【k 分别为减振系统的模态质量矩阵，模态阻尼矩阵， 由以上可得： m 坍+ 【c 1 】伯) + 【k 1 订= 怛q ( 2 2 3 ) 2 3 减振系统设计原则 统的阻尼比为亭，固有频率为k 。系统的隔振效率【矧 皿牡 ! ：堕l (2_：。)ix l p z ) 2 + ( 圳2 j 其中r 。詈，k = 去，亭= 面焉，其曲线如图z z 所示： 正 卜_ 图22 隔振效率曲线 当r ，2 时，t r 1 ， = 一言。善2 1 当阻尼比 1 ，a = 一孝j 。, 1 一 2 令：0 = 一 m 。； = 峨1 一 2 。 ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) 当系统阻尼比当 l i n e a r ；得到的本征值信息与计算结论如图4 4 ，与 理论计算结果对比得知是完全一致的。 a p 呻lp a e n 【ic h d r e n | m 。d 。i 广v b oec | r e a d f f i l ei s o r e 【。f i l 。i e i g e nw a l u e sc t i m e = s 0 ) f r e 0 u j n c yu n i t s ：c h z ) h o d u n d a h p i n a t u r a ld 3 d t p i n g 矾册e rf r e 邮c y 船t 1 0 r k k li t 强e i a 盯 1 s 0 3 z ，2 1 e 十0 0 03 1 6 2 2 7 8 e 一0 0 11 5 9 1 s 4 9 e 十0 0 0十，一4 7 7 4 6 4 8 e + 0 0 0 图4 4 单自由度本征值计算结果 计算结果包括4 列：无阻尼固有圆频率( u n d a m p e dn a t u r a l f r e q u e n c y ) 与阻尼比( d a m p i n gr a t i o ) ；其中本征值：实部( r e a l ) 和 虚部( i m a g i n a r y ) 。 如果修改阻尼系数为1 0n s e c m ，再次在静平衡仿真点计算本征值，结果如 图4 5 ： 图4 5 修改后的单自由度系统本征值结果 可以得到阻尼系数的改变会影响到阻尼比、实部值和虚部值，但不会改变系 统的固有频率，同样与理论推导的结果同样完全一致。 同理，对于本文的模型，计算得出其六个自由度( 分别为x 、y 、z 三个方向 的平动及绕三个轴的转动) 的固有频率如表4 - 1 ： 表4 - 1 系统六个自由度的固有频率 自由度 y y y l 固有频率0 2 5 7 0 3 2 0 2 2 5 0 4 4 o 60 1 8 阻尼比o 2 0 2 50 1 8 0 3 40 4 70 1 3 这六个自由度的固有频率除自由度5 外都比较接近我们所要求的o 3 h z 。进 一步用机械动力学仿真软件对该系统进行时域和频域响应仿真分析。 4 2 2 时域响应分析 在载人航天器上，有些干扰是瞬态的，这里用脉冲信号模拟瞬态干扰对空 间科学实验柜的影响。取减振器的刚度系数k ：2 0 0 n m ，阻尼系数c = 5 0 n m s ， 在空间科学实验柜x 方向输入一单位脉冲干扰，其输入输出如图4 6 所示： 图4 6 单位脉冲信号时空间科学实验柜和载人航天器的加速度响应加速度 当空间科学实验柜受周期性扰动时，用正弦信号来模拟这些输入。在空间 科学实验柜x 方向输入不同频率单位正弦信号时，载人航天器质心处的响应及空 问科学实验柜质心x 、y 、7 三个方向的响应及空间科学实验柜上a 、b 两点z 方 向的响应如图4 7 4 1 0 所示： 一pbo宅eco口巴!08 l 喂赢黼翩 ；嚣 r l l 2 ! 丑一 f a v v 。uu v vvv v vvv v vv vo i 黧一i uvvuvvvvvv vvuvv9 r 。 5 。二墨，”。 2 。 【f ”5 。，黑。，“。 ”。 l ，一 i h n 一m * n n ，li “d 。n v l i ； 糕争、a ，。舭。、 曼”o 。 v a w 。”一。 围喇，厂v 。1 i 0 d 旧。“”，二鉴，”。 t4 。6 口5 口1 。d 5 k ，i m 。 【” fl 州舢n c 删a r m o nz l 懒龋赢赢i 差 艨a 。a r n n 啦 霹 v v 。vu v v v v v v v v v v v vv i 一。5 。嚣。” l 吒i”。嚣。 图47l l - l z 时载人舷大= j ! 及空削科学实骑柜厦0 x y z 方向和a 、b 点i 方向响应加速度 图4 , 8 1 0 h z 时载人航天器及空问科学实验柜质心r y z 方向和a b 点方向加速度响应 幽4 , 93 0 h z 时载人航大器及空州越学实验柜质心x y z 方向和a b 点z 办同加速度响应 图4 1 01 0 0 h z 时载人航天器及空间科学实验柜质心x y z 方向和a 、b 点z 方向加速度响应 当载人航天器受到z 方向的脉冲激励时，载人航天器的瞬态加速度响应为 o 1 m m s 2 ，而空间科学实验柜的初始响应只有0 0 1m m s 2 ，而且随着时间的增加 迅速哀减，这说明该减振系统可以把脉冲干扰的响应降低十倍。当载人航天器在 x 方向受到1 h z 的正弦信号激励时，载人航天器的稳态响应是0 1 m m s 2 ( 图4 7 ) ， 空间科学实验柜质一t 3 工方向的稳态响应为o 0 1 2 m m s 2 ，y 、z 方向的稳态响应在 1 0 - 5 量级，a 、b 两点( 图4 1 ) 的响应也在0 0 1m m s 2 左右。当外加正弦信号的 频率为1 0 h z 时，载人航天器的稳态加速度响应仍为0 1 m m s 2 ( 图4 8 ) ，而空问 科学实验柜质心及a 、b 点的加速度响应约为1 0 0r n m s 2 ，y 、z 方向的响应很小， 在1 0 4 量级。当x 方向的激励频率为3 0 h z 时，空间科学实验柜各点的x 方向稳 态加速度响应约为5 1 0 。4 m m s 2 ( 图4 9 ) 。当频率为1 0 0 h z 时，其各点的x 方向 稳态响应约为1 0 4 m m s 2 ( 图4 1 0 ) 。 若载人航天器受到的干扰为x 方向的力矩时，当干扰分别为脉冲信号、1 0 h z 和5 0 h z 的正弦信号时，载人航天器和空间科学实验柜的角加速度向应如图 4 1 l 4 1 3 所示： l ，n m 黼b r d ，n k l 一t m 目m x 、 f 、 1 0o m m b 1 图4 1 1 单位脉冲信号时空间科学实验柜和载人航天器的角加速度响应 图4 1 21 0 h z 时载人航天器及空间科学实验柜质心和a 点x 方向角加速度响应 图4 1 35 0 h z 时载人航天器及空间科学实验柜质心和a 点方向角加速度响应 一 一 呻 dl，6。p)5昂互uu4量高导、 从以上数据可以得到，当干扰力矩为脉冲信号时，空间科学实验柜的角加速 度响应为输入的1 1 0 ，当干扰力矩为1 0 h z 的正弦信号时，空问科学实验柜的角 加速度响应约为输入的1 1 0 0 ，当干扰力矩为5 0 h z 时，空间科学实验柜的角加 速度响应约为输入的1 3 0 0 。y 、z 方向的的响应及减振效果如表4 2 所示： 表4 - 2 系统y 、z 方向的响应及减振效果 外加干 外加干扰类 外加干扰频载人航天器响应实验柜响应 减振幅度 扰方向 率( h z ) ( m m s 2 、d e g s 2 ) ( r u n g s 2 、d e g s 2 1 ( 输入输 型 出) 0 0 1 3 单位脉 力 0 1 ( 1 0 s g ) 7 7 ( 1 3 x1 0 。g ) 冲信号 力 2 4 x 1 0 。53 1 0 。68 矩 0 0 1 6 1 0 1 ( 1 0 4 9 ) 6 2 5 ( 1 6 x1 0 。6 曲 1 6 x 1 0 1 0 0 1 ( 1 0 4 9 ) 6 2 ，5 ( 1 6 1 0 “曲 力5 x 1 0 。4 3 0 0 1 ( 1 0 4 9 ) ( 5 x 1 0 8 酌 2 0 0 y 单位正 1 7 x 1 0 + 4 弦信号 1 0 0 0 1 ( 1 0 。g ) 5 8 8 ( 1 7 x1 0 一g ) 12 3 x 1 0 06 1 0 。63 8 力 1 02 ，3 x 1 0 。5 x 1 0 。74 6 5 02 3 x 1 0 01 0 - 72 3 0 矩 1 0 02 3 x 1 0 5 2 x 1 0 84 4 2 单位脉 力 0 1 ( 1 0 g ) 0 0 11 0 力 冲信号7 6 x 1 0 。57 4 1 0 + 61 0 矩 1 0 1 ( 1 0 。g )0 0 l ( 1 0 - 5 9 ) 1 0 1 0 o 1 ( 1 0 g )1 0 。3 ( 1 0 。飞) l ( ) 0 3 0 0 1 ( 1 0 。5 9 ) 3 x 1 0 4 力 ( 3 x 1 0 。8 9 ) 3 3 3 单位止1 0 0 0 1 ( 1 0 。g ) 9 x 1 0 。5 z ( 9 x1 0 一g ) 1 1 1 1 弦信号 1 7 6 x 1 0 。5 5 x 1 0 6 1 5 2 力 1 07 2 x 1 0 。35 6 x 1 0 71 2 8 5 07 2 x 1 0 。1 3 x 1 0 。5 5 4 矩 1 0 0 7 2 x 1 0 一6 3 1 0 81 1 4 3 4 2 3 频域响应分析 当载人航天器受到周期性激励干扰时，需要知道该减振系统在不同频率的减 振效果。在a d a m s 中给系统输入正弦扫频信号，如图4 1 4 所示 图4 ，1 4 正弦扫频信号 系统的输入为得出空问科学实验柜工、y 、z 三个方向平动加速的响应( 包括 质心和a 、b 点) 的幅频特性如图4 1 5 4 1 7 所示： 图4 1 5 空间科学实验柜x 方向加速度幅频特性 幽4 1 6 空间科学实验柜y 方向加速度幅频特性 图4 1 7 空问科学实验柜z 方向加速度幅频特性 在工方向，当外部干扰在0 3 h z ( 固有频率) 附近空间科学实验柜的响应最 大。当干扰大于0 d h z 时减振系统起减振作用，在1 h z 时空间科学实验柜的加速 度响应约为输入的1 1 0 ，l o h z 时，响应约为输入的1 1 0 0 ，l o o h z 时甚至可达到 1 1 0 0 0 ，完全可以达到预先要求的效果。同样，在y 、z 方向系统的减振效果也 达到了预期要求。 对于系统的转动自由度，在x 、y 、z 方向分别输入单位转动加速度，空间科 学实验柜的角加速度响应( 质心和a 、b 点) 分别图4 1 8 图4 2 0 所示 了 盖2 00 兰 f r e q u e n c yr 8 8 1 8 0 l l s er f 帕g n t u d e 1 k a nm h n r 、l n m tv r e ，p 0 一 一伽n a l n 口 o l d p u tp a n tax r 删s e h p u tx0 “口“, o o i n tbx r e s p o n e 7 、 图4 1 8 空间科学实验柜x 方向角加速度幅频特性 f r e q u 唧y r e s # o 啪- m a m m e l 二：焉霉嚣譬：皇篙嚣l n 叫y o l 却“j d m j 舶单o n 8 e 一，弋 一、 一 图4 1 9 空间科学实验柜y 方向角加速度幅频特性 f r e q 旧n o yr e 日n s e - m 州b 蜘 ，、l 二= 塞爱篡爱l 八 l “。”1 4 “。”“4 ”2 。”“ l 图4 2 0 空间科学实验柜z 方向角加速度幅频特性 3 9 m 弓崔蔓 由上可以得出，在三个转动自由度，系统的减振性能在1 h z 时可以把干扰 削减大约一个数量级，在1 0 h z 时大约两个数量级，1 0 0 h z 大约三个数量级，基 本达到预期目标。 4 2 4 随机振动响应 在载人航天器上一些振动是随机的，我们用频谱来描述这些振动。把我国载 人航天工程一期对神舟飞船内部微重力测量的微重力频谱作为该减振系统的输 入，系统的响应频谱如图4 2 l 图4 2 3 所示： 图4 2 1 空间科学实验柜x 方向随机输入与输出 图42 2 空间科学实验柜y 方向随机输入与输出 图42 3 空间科学实验柜z 方向随机输入与输出 由图4 2 0 、图4 2 1 、图4 2 2 可得，当大于1 h z 时，该减振系统可以把输入 从1 0 3m 9 2 h z 降低到1 0 一m 9 2 h z 以下。 4 1 5 减振系统参数优化 为了进一步提高系统的减振效果，应用a d a m s 的优化模块对系统参数进行了 初步优化。要提高系统的隔振率需要降低系统的固有频率，同时要控制适当的阻 尼比使系统在固有频率附近响应不至于过大。把减振器的刚度系数降为1 0 0 n m ，同时对减振器的阻尼进行优化。系统z 方向减振器阻尼优化结果如图5 1 所示，横轴为减振器的阻尼系数，纵轴为空间科学实验柜在固有频率处的加速度 响应幅值。 图5 1 系统z 方向减振器阻尼优化结果 当z 方向减振器的阻尼系数分别取0 0 0 1n - m m s ，0 0 1 3 3n m m s ，0 0 2 5 5 n m m s ，0 0 3 7 7n m m s ，o 0 5n m m s 时，空间科学实验柜z 方向加速度响 应的幅频特性如图5 2 所示。 f r e 叫e n c y r 州n s e 恂n d o 童。4 0 o 量。 0 j 。 1 2 00 fr e q u e 限y ( h z ) 图5 2 取不同阻尼时系统z 方向响应幅频特性 从以上结果可以得出，当阻尼系数为0 0 1 3 3n m m s 时，既呵以使系统在固 有频率附近响应较小，而且可以使系统在高频时有较好的减振效果。同样对上、 y 方向减振器的阻尼系数进行优化结果如图5 3 图5 6 所示。阻尼系数取0 0 1 3 3 n m m s 时系统具有较好的减振效果。 d 嘣g 恤d y o q m e2 0 峙- i o - z 3 1 6 ：2 3 3 1 图5 3 系统x 方向减振器阻尼优化结果 图5 4 取不同阻尼时系统x 方向响应幅频特性 d 甲9 u 目0 b 口d ”黜o - 2 9 图5 5 系统y 方向减振器阻尼优化结果 4 3 图5 6 取不同阻尼时系统z 方向响应幅频特性 从以上结果可以得到阻尼系数取o 0 1 3 3n m m s 时系统具有较好减振效果。 表5 - 1 优化后系统的固有频率和阻尼比 自由度 123456 固有频率 0 1 90 2 20 1 60 3o 3 60 1 3 阻尼比 o 0 80 0 90 0 6 50 1 20 1 50 0 5 但另一方面，在降低固有频率，也就是减小减振器的刚度系数时，减振器的 变形量会增加，变形量过大也是不允许的。图5 7 为参数改进前后，系统分别受 l o m g 脉冲激励时减振器5 的不同变形量。 l = = 篙：渊墨篇：。引佃。1 ，7 一，_ 、厂 t