一种空间杆件结构减振装置与方法
技术领域
本发明涉及减振
技术领域
，特别涉及一种空间杆件结构减振装置以及一种应用该装置的减振方法。背景技术
空间杆件结构最早出现在航天以及建筑领域内，并且得到了广泛的应用。卫星和空间站的太阳能电池板支架、无线电通信天线、伸缩机械手臂以及钢架铁塔、桥梁等等，基本都是由空间杆件结构组成的。空间杆件结构在多个领域当中得到了广泛的运用，但是空间杆件结构的振动问题一直难以避免，容易造成严重影响。
例如船舶领域内，船舶航行的过程当中会产生振动，很容易影响到行船安全，也影响船上人员的身体健康，需要采取一定的隔振措施来加以控制。
在建筑领域内，就一些高层建筑类桁架结构而言，在风力扰动或者地震来临时也会产生振动，一方面对结构产生疲劳破坏，降低结构的可靠性，影响结构的安全性和耐久性，危及住户的生命财产安全，另一方面则是会产生噪音，影响居民正常生活，需要通过建筑隔振产品降低振动。
在航天领域内，由于航天器日渐向着高精度、高稳定度的方向发展，其搭载的有效载荷对平台的姿态稳定度要求较高，需要尽量减小航天器平台的微振动，以提高平台姿态稳定度，而航天器微振动的主要来源之一，便是太阳翼挠性振动。
当前航天器平台所采用的基本都是活动太阳翼，与平台的连接刚度较低，一旦航天器进行轨道转移或者姿态调整，便会产生微振动，从而减低平台的姿态稳定度。更为严重的，当太阳翼进出太阳阴影时，由于外热流变化剧烈，可能会导致太阳翼热颤振，严重降低航天器平台的姿态稳定度。此外，柔性太阳翼在航天器变轨调资或者内部零件进行机械运动时，都会产生难以自行衰减振动的问题，影响整个航天器的正常工作，甚至造成航天器的结构破坏。
可见，空间杆件结构的振动问题不容忽视。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种空间杆件结构减振装置与方法，有效提高空间杆件结构的减振效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种空间杆件结构减振装置，包括若干个用于安装在空间杆件结构上的颗粒阻尼器，所述的颗粒阻尼器包括内部开设有密闭型腔的壳体以及内置在型腔当中形成粒子介质接触应力网络的若干阻尼颗粒，所述空间杆件结构的振动频率小于200Hz时，所述阻尼颗粒的恢复系数为0.4～0.7，摩擦系数为0.05～0.3，所述空间杆件结构的振动频率为200～1000Hz时，所述阻尼颗粒的恢复系数为0.1～0.4，摩擦系数为0.3～0.55。
进一步的，所述若干阻尼颗粒的外部包覆有由柔性材料制成的包装层，所述的柔性材料为塑料或者橡胶或者纤维。
进一步的，当所述空间杆件结构的振动频率小于200Hz时，将所述阻尼颗粒的填充率设置在85％～90％之间；当所述空间杆件结构的振动频率为200～1000Hz时，阻尼颗粒的填充率设置在90％～98％之间。
进一步的，当所述空间杆件结构的振动频率小于200Hz时，型腔的内部增设隔板划分为若干个腔室，各腔室长宽设置为阻尼颗粒直径的19～21倍。
进一步的，所述空间杆件结构的振动频率为200～1000Hz时，型腔内壁面设为弧面。
进一步的，所述的空间杆件结构由若干平行且间隔设置的平面杆件结构相互连接构成，所述的平面杆件结构包括上弦杆、平行设置在所述上弦杆下方的下弦杆、分别与所述上弦杆及下弦杆相互固接构成矩形框架的第一竖杆、一端固接在所述上弦杆中心处另一端固接在所述下弦杆中心处的第二竖杆、分设在所述第二竖杆两侧且一端与所述上弦杆相固接另一端与所述下弦杆相固接的第一斜杆、两端部均与所述第一斜杆相固接的横腹杆以及若干第二斜杆，所述第二斜杆的一端与所述第一斜杆相固接，另一端与所述第二竖杆相固接；所述空间杆件结构的底部还设置有基座，所述空间杆件结构与基座之间设置有若干个隔振器。
进一步的，所述的空间杆件结构为太阳翼。
本发明还公开了一种空间杆件结构减振方法，在空间杆件结构上安装上述的颗粒阻尼器，所述颗粒阻尼器的安装方法如下：
A1.确定空间杆件结构的振动频率；
A2.根据空间杆件结构的振动频率对颗粒阻尼器的相关特征进行调整：
A21.阻尼颗粒的恢复系数：当所述空间杆件结构的振动频率小于200Hz时，选用恢复系数为0.4～0.7的阻尼颗粒；当所述空间杆件结构的振动频率为200～1000Hz时,选用恢复系数为0.1～0.4的阻尼颗粒；
A22.阻尼颗粒的摩擦系数：当所述空间杆件结构的振动频率小于200Hz时，选用摩擦系数为0.05～0.3的阻尼颗粒；当所述空间杆件结构的振动频率为200～1000Hz时，选用摩擦系数为0.3～0.55的阻尼颗粒。
A3.建立空间杆件结构有限元模型，添加约束，对空间杆件结构进行模态分析，确定空间杆件结构各阶频率模态最大位移处或者振动能量交汇处，将步骤A2调整得到的颗粒阻尼器安装在模态最大位移处或者能量交汇处。
进一步的，A2当中所述颗粒阻尼器的相关特征的调整还包括：
A23.阻尼颗粒的填充率：当所述空间杆件结构的振动频率小于200Hz时，将所述阻尼颗粒的填充率设置在85％～90％之间；当所述空间杆件结构的振动频率为200～1000Hz时，将所述阻尼颗粒的填充率设置在90％～98％之间。
A24.型腔结构：当所述空间杆件结构的振动频率小于200Hz时，型腔的内部增设隔板划分为若干个腔室，各腔室长宽设置为阻尼颗粒直径的19～21倍；当所述空间杆件结构的振动频率为200～1000Hz时，将型腔内壁面设为弧面。其中，各腔室长宽与阻尼颗粒直径之间的比值接近20:1为优。
进一步的，A3当中所述颗粒阻尼器的安装位置为：
当所述空间杆件结构的振动频率接近第N阶模态频率时，所述颗粒阻尼器的安装位置为所述空间杆件结构的第N阶模态最大位移处，其中N为1或2或3；当所述空间杆件结构的振动频率接近3阶以上的模态频率时，所述颗粒阻尼器的安装位置为所述空间杆件结构振动能量交汇处。
本发明具有如下有益效果：1、本发明所提供的减振装置与方法能够使空间杆件结构快速平稳，在全频率段尤其是高频段具有明显的减振效果，能够有效降低振动的幅值，减少振动能量的传递，达到消峰的效果；2、根据空间杆件结构的振动频率或者振动波长，有针对性地对阻尼颗粒恢复系数、阻尼颗粒摩擦系数等配置进行调整，减振的效果更好；3、减振装置结构简单、方便根据不同的振动情况进行调节，使用时的限制较少，而且适用于多种类型的空间杆件结构，普适性较强。4、将型腔内壁设计为弧面，可以增加阻尼颗粒与腔室之间的旋转接触面积以增加摩擦耗能。
附图说明
图1为本发明实施例一颗粒阻尼器无隔板结构示意图；
图2为本发明实施例一颗粒阻尼器带隔板结构示意图；
图3为本发明实施例二结构示意图；
图4为本发明实施例三结构示意图；
图5为本发明实施例四结构示意图；
图6为本发明实施例四颗粒阻尼器无隔板结构剖切示意图；
图7为本发明实施例四颗粒阻尼器带隔板结构剖切示意图。
主要组件符号说明：1、颗粒阻尼器；11、壳体；12、型腔；13、阻尼颗粒；14、隔板；15、包装层；2、空间杆件结构；21、平面杆件结构；211、上弦杆；212、下弦杆；213、第一竖杆；214、第二竖杆；215、第一斜杆；216、第二斜杆；217、横腹杆；3、基座；4、隔振器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1-2所示的，本发明公开了一种空间杆件结构减振装置，包括若干个用于安装在空间杆件结构2上的颗粒阻尼器1，颗粒阻尼器1包括内部开设有密闭型腔12的壳体11以及内置在型腔12当中形成粒子介质接触应力网络的若干阻尼颗粒13，空间杆件结构2的振动频率小于200Hz时，阻尼颗粒13的恢复系数为0.4～0.7，摩擦系数为0.05～0.3，空间杆件结构2的振动频率为200～1000Hz时，阻尼颗粒13的恢复系数为0.1～0.4，摩擦系数为0.3～0.55。
当空间杆件结构2的振动频率小于200Hz时，将阻尼颗粒13的填充率设置在85％～90％之间；当空间杆件结构2的振动频率为200～1000Hz时，将阻尼颗粒13的填充率设置在90％～98％之间。
当空间杆件结构2的振动频率小于200Hz时，型腔12的内部增设隔板14划分为若干个腔室，各腔室长宽设置为阻尼颗粒13直径的19～21倍。
空间杆件结构2的振动频率为200～1000Hz时，型腔12内壁面设为弧面。
该减振装置能够使空间杆件结构快速平稳，在全频率段尤其是高频段具有明显的减振效果，其结构简单、方便根据不同的振动情况进行调节，使用时的限制较少，普适性较强。根据空间杆件结构2的振动频率有针对性地调整阻尼颗粒13的恢复系数与摩擦系数，能够提高颗粒阻尼器1的减振效果。
对空间杆件结构2分别进行0～200Hz和200Hz～1000Hz的加速度扫频实验，选用不同恢复系数的阻尼颗粒13，其余参数保持不变，添加不同恢复系数的颗粒阻尼器1后空间杆件结构2的振动加速度响应峰值如下表所示。
表1不同恢复系数的颗粒阻尼颗粒对应的空间杆件结构振动加速度总有效值(0～200Hz)
如表1所示，对空间杆件结构2分别进行0～200Hz加速度扫频实验时，添加恢复系数为0.5的阻尼颗粒13时空间杆件结构2的振动加速度总有效值最小为4.108m/s^2，且恢复系数为0.5～0.7时减振效果优于恢复系数为0.2～0.4。
表2不同恢复系数的阻尼颗粒对应的空间杆件结构振动加速度总有效值(200Hz～1000Hz)
如表2所示，对空间杆件结构2分别进行200Hz～1000Hz加速度扫频实验时，添加恢复系数为0.2的阻尼颗粒13时空间杆件结构2的振动加速度总有效值最小为7.433m/s^2，且恢复系数为0.2～0.4时减振效果优于恢复系数为0.5～0.7。
表3不同摩擦系数的颗粒阻尼颗粒对应的空间杆件结构振动加速度总有效值(0～200Hz)
如表3所示，对空间杆件结构2分别进行0～200Hz加速度扫频实验时，添加摩擦系数为0.2的阻尼颗粒13时空间杆件结构2的振动加速度总有效值最小为4.108m/s^2，且摩擦系数为0.1～0.3时减振效果优于摩擦系数为0.4～0.5。
表4不同摩擦系数的阻尼颗粒对应的空间杆件结构振动加速度总有效值(200Hz～1000Hz)
如表4所示，对空间杆件结构2分别进行200Hz～1000Hz加速度扫频实验时，添加摩擦系数为0.5的阻尼颗粒13时空间杆件结构2的振动加速度总有效值最小为7.754m/s^2，且摩擦系数为0.4～0.5时减振效果优于摩擦系数为0.1～0.3。
实施例二
在上述实施例一的基础上，如图3所示，空间杆件结构2由若干平行且间隔设置的平面杆件结构21相互连接构成，平面杆件结构21包括上弦杆211、平行设置在上弦杆211下方的下弦杆212、分别与上弦杆211及下弦杆212相互固接构成矩形框架的第一竖杆213、一端固接在上弦杆211中心处另一端固接在下弦杆212中心处的第二竖杆214、分设在第二竖杆214两侧且一端与上弦杆211相固接另一端与下弦杆212相固接的第一斜杆215、两端部均与第一斜杆215相固接的横腹杆217以及若干第二斜杆216，第二斜杆216的一端与第一斜杆215相固接，另一端与第二竖杆214相固接。
该空间杆件结构2为刚性连接结构，振动在空间杆件结构2当中以波的形式来回传递，每次经过颗粒阻尼器1都会被削减；针对特定波长调整颗粒阻尼器1的参数后，能起到50％-60％减振效果。
实施例三
在上述实施例二的基础上，如图4所示，空间杆件结构2的底部设置有基座3，空间杆件结构2与基座3之间设置有若干个隔振器4。
隔振器4优选橡胶隔振器，与空间杆件结构2组合构成隔振浮筏，当振动发生时，位于空间杆件结构2上的颗粒阻尼器1能够提前将结构上的振动能量消耗掉一部分，减小振动能量向隔振器4方向的传递，有效改善隔振器4存在的高频驻波问题，提高隔振器4的隔振效率，整体的隔振效果更好。
实施例四
在上述实施例一的基础上，如图5-7所示，若干阻尼颗粒13的外部包覆有由柔性材料制成的包装层15，柔性材料为塑料或者橡胶或者纤维。空间杆件结构2为太阳翼。壳体11的截面形状设为T字形，以便安装。
太阳翼作为航天器的重要组成部分,是一种典型的大挠性空间结构,具有低频、小阻尼等动力学特性。为提高太阳翼抑制振动的能力,在太阳翼结构上安装颗粒阻尼器1，能够在不影响原太阳翼原本结构和功能的前提下，对振动进行控制。为避免航天器两侧太阳翼上颗粒阻尼器1差异对航天器姿态角的影响，在安装时需要保证航天器两侧太阳翼上颗粒阻尼器1参数与结构分布的一致性。
另外，由于航天器处于太空微重力环境中，安装颗粒阻尼器1后，阻尼颗粒13将悬浮在型腔12当中，为了确保阻尼颗粒13在振动过程中能够与型腔12壁面碰撞摩擦以达到消耗振动能量的目的，需要在型腔12内增加隔板14划分出多个腔室，并且选用阻尼颗粒13填充率较高的颗粒阻尼器1。
实施例五
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种空间杆件结构减振方法，在空间杆件结构2上安装上述的颗粒阻尼器1，颗粒阻尼器1的安装方法如下：
A1.确定空间杆件结构2的振动频率；
A2.根据空间杆件结构2的振动频率对颗粒阻尼器1的相关特征进行调整：
A21.阻尼颗粒13的恢复系数：当空间杆件结构2的振动频率小于200Hz时，选用恢复系数为0.4～0.7的阻尼颗粒13；当空间杆件结构2的振动频率为200～1000Hz时,选用恢复系数为0.1～0.4的阻尼颗粒13；
A22.阻尼颗粒13的摩擦系数：当空间杆件结构2的振动频率小于200Hz时，选用摩擦系数为0.05～0.3的阻尼颗粒13；当空间杆件结构2的振动频率为200～1000Hz时，选用摩擦系数为0.3～0.55的阻尼颗粒13。
A3.建立空间杆件结构2有限元模型，添加约束，对空间杆件结构2进行模态分析，确定空间杆件结构2各阶频率模态最大位移处或者振动能量交汇处，将步骤A2调整得到的颗粒阻尼器1安装在模态最大位移处或者能量交汇处。
A2当中颗粒阻尼器1的相关特征的调整还包括：
A23.阻尼颗粒13的填充率：当空间杆件结构2的振动频率小于200Hz时，将阻尼颗粒13的填充率设置在85％～90％之间；当空间杆件结构2的振动频率为200～1000Hz时，将阻尼颗粒13的填充率设置在90％～98％之间。
A24.型腔结构：当空间杆件结构2的振动频率小于200Hz时，型腔的内部增设隔板划分为若干个腔室，各腔室长宽设置为阻尼颗粒13直径的19～21倍；当空间杆件结构2的振动频率为200～1000Hz时，将型腔内壁面设为弧面。
A3当中颗粒阻尼器1的安装位置为：
当空间杆件结构2的振动频率接近第N阶模态频率时，颗粒阻尼器1的安装位置为空间杆件结构2的第N阶模态最大位移处，其中N为1或2或3；当空间杆件结构2的振动频率接近3阶以上的模态频率时，颗粒阻尼器1的安装位置为空间杆件结构2振动能量交汇处。
其中，当空间杆件结构2的振动频率处于200Hz以下低频段时，空间杆件结构2系统的振动引起阻尼颗粒13系统振动，颗粒之间产生微碰撞和微旋转运动，其中微碰撞耗运动能占比更大，此时选用恢复系数较高、摩擦系数较低的阻尼颗粒13，减振效果较好；同时，由于微碰撞耗能占比更大，为增加阻尼颗粒13之间、阻尼颗粒13与型腔12内壁之间的碰撞次数，设置较低的阻尼颗粒13填充率、在型腔12内部增设隔板14将其划分成若干个腔室，都能够为阻尼颗粒13之间、阻尼颗粒13与型腔12内壁之间提供充足的碰撞空间。
当空间杆件结构2的振动频率处于200～1000Hz之间的高频段时，颗粒之前同样产生微碰撞和微旋转运动，但是其中微旋转运动的耗能占比更大，因此，选用恢复系数较低、摩擦系数较高的阻尼颗粒13，能够提高减振效果。而由于微旋转运动耗能占比更大，此时型腔12内部可不划分腔室，适宜设置较高的阻尼颗粒13填充率、将型腔12或者所划分出来的腔室的内壁面设计为弧面，以此增加阻尼颗粒13之间、阻尼颗粒13与型腔12内壁面之间的接触和摩擦，从而增加摩擦耗能，提高减振效果。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
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