CN102322493B - 复合材料黏弹阻尼杆 - Google Patents

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Abstract

复合材料黏弹阻尼杆，包括两端安装法兰及安装法兰之间的中间杆，所述的中间杆包含三层，从内至外依次为T系列高强碳纤维复合材料的杆本体(1)、黏弹阻尼层(2)和约束层(3)，中间杆长度200～1000mm；黏弹阻尼层(2)选择损耗因子大于1的阻尼橡胶材料粘贴在杆本体(1)的外部，约束层(3)材料选择M系列的高模量碳纤维复合材料，阻尼层(2)和约束层(3)采用共固化工艺成型；通过在约束层(3)外开U型槽将中间杆分段，中间杆长度方向上的分段数为3～12。

Description

复合材料黏弹阻尼杆
技术领域
本发明属航天器结构技术，具体涉及一种轴向阻尼比高的复合材料黏弹阻尼杆。
背景技术
迄今为止，在航天领域，杆(系)结构以其较高的承载效率、构型自由、设计和分析简单等特点得到了广泛应用，尤其是大跨距、高稳定复合材料桁架结构。复合材料桁架的阻尼虽然优于传统的金属材料，但在应用中仍显偏低，出于减振和提高结构稳定性的需要，有必要对其做进一步的处理，以提高其结构阻尼。
常规的约束阻尼处理方法只能提高杆件弯曲模态阻尼，无法有效提高杆件的轴向阻尼。在桁架结构中，杆件一般承受拉压载荷，所以增加关键位置杆件在拉压载荷作用下的轴向阻尼，对提高整个结构阻尼特性最为有利。
目前现有的阻尼杆设计将黏弹阻尼材料引入到主传力路径中，虽然提高了轴向阻尼，但杆的刚度和强度下降较多，因此限制了其应用场合。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有较高轴向阻尼的复合材料黏弹阻尼杆。
本发明的技术解决方案是：复合材料黏弹阻尼杆，包括两端安装法兰及安装法兰之间的中间杆，所述的中间杆包含三层，从内至外依次为T系列高强碳纤维复合材料的杆本体、黏弹阻尼层和约束层，中间杆长度200～1000mm；黏弹阻尼层选择损耗因子大于1的阻尼橡胶材料粘贴在杆本体的外部，约束层材料选择M系列的高模量碳纤维复合材料，阻尼层和约束层采用共固化工艺成型；通过在约束层外开U型槽将中间杆分段，中间杆长度方向上的分段数为3～12。
所述的U型槽深为杆本体壁厚的一半，槽宽度尽可能的窄，最宽为0.2mm。
所述的黏弹阻尼层厚度0.1～0.6mm。
所述的约束层厚度0.5～2.5mm。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明在杆长度方向上进行分段约束阻尼处理，通过合理选择杆本体和约束层的材料、合理设计分段长度、黏弹阻尼层和约束层的厚度，实现复合材料杆件轴向阻尼的大幅提高，同时保证杆的轴向强度。该复合材料黏弹阻尼杆可以应用于卫星阱瓶支架、桁架式天线结构上，改善系统的阻尼特性。
(2)本发明合理选择杆本体和约束层的材料：杆本体为主传力路径，选择高强碳纤维复合材料，约束层选择高模量碳纤维复合材料，加大了黏弹阻尼层上下表面的刚度差，从而增大了黏弹阻尼层的剪切变形，进而提高结构阻尼。
(3)本发明将杆进行开槽分段：利用胶接接头变形的特点，在开槽处获得了较高的剪切效应，人为增加了黏弹阻尼层的剪切变形，从而增加其应变能损耗，进而提高结构阻尼。通过上述设计，黏弹阻尼层不在主传力路径，从而克服了现有阻尼杆刚度和强度下降较多的缺点。
(4)本发明对分段长度、阻尼层和约束层的厚度和铺层的优化：在基于模态应变能法的结构阻尼模型基础上，通过多参数优化来实现所要求的轴向阻尼。
附图说明
图1为本发明不带两端法兰的阻尼杆结构示意图；
图2为本发明带安装法兰的复合材料粘弹阻尼杆的结构示意图。
具体实施方式
复合材料黏弹阻尼杆，包括两端安装法兰及安装法兰之间的中间杆，中间杆包含三层，从内至外依次为杆本体1、黏弹阻尼层2和约束层3，复合材料黏弹阻尼杆的长度设计范围为20～1000mm，内壁直径设计范围为10～50mm，杆本体采用T系列高强碳纤维增强树脂基复合材料，厚度变化范围0.5～3.0mm，铺层设计以0°铺层为主，单层厚度0.125mm，在杆本体外粘贴一层黏弹阻尼材料，阻尼层2厚度变化范围为0.1～0.6mm，在黏弹阻尼层外采用M55J高模碳纤维增强树脂基复合材料作为约束层3，厚度变化范围为0.5～2.5mm，铺层设计以0°铺层为主，单层厚度为0.125mm。在杆长度方向上的分段数为3～12，分段通过在杆圆周方向设计开U型槽实现，杆本体的槽深设计为杆本体厚度的一半，槽宽最宽为0.2mm。
采用基于有限元的模态应变能法分析结构的阻尼，复合材料黏弹阻尼杆的建模必须能反映黏弹阻尼夹芯层的剪切应变能，当采用Patran/Nastran软件建模时，杆本体、黏弹阻尼层和约束层建模采用实体单元(solid element)。Nastran的模态分析结果包含了应变能的输出，进行模态分析，然后通过结构损耗应变能与总应变能之比来确定结构的阻尼，最后通过结构阻尼的优化来确定最终的设计参数，包括杆长度、内壁直径、杆本体厚度及铺层(槽深)、阻尼层厚度、约束层厚度及铺层、分段数等参数。
下面结合附图及具体实例对本发明提供的一种复合材料黏弹阻尼杆作进一步详细说明。
如附图1所示，复合材料黏弹阻尼杆的长度为550mm，管壁内径为18mm，先进行杆本体1的制造，材料为T700/环氧648，壁厚为1mm，铺层为[±60/02]2，杆件成型时，角度铺层采用缠绕成型工艺，0°铺层采用搓管成型工艺，杆本体1固化完成后，在已成型的杆本体1上粘贴ZN-1黏弹阻尼层2，阻尼层厚度0.1mm，然后在阻尼层上完成约束层3的制造，材料为M55J/环氧648，壁厚为0.625mm，铺层为[03/±45]，角度铺层采用缠绕成型工艺，0°铺层采用搓管成型工艺，之后，阻尼层2和约束层3采用二次固化工艺成型。固化完成后，采用激光加工工艺进行开U型槽加工，槽共6个，沿杆长度方向均布，中心间距为100mm，杆本体槽深0.5mm，槽宽0.2mm。最后，在杆两端胶接连接法兰4和法兰5，完成复合材料黏弹阻尼杆的制造，如附图2所示。
为了验证复合材料黏弹阻尼杆的效果，加工了复合材料杆和复合材料黏弹阻尼杆两类试验件，进行对比试验验证。复合材料杆为T700/648，壁厚1mm，长度550mm，管壁内径12mm。复合材料黏弹阻尼杆是将前述的复合材料杆分成5段进行阻尼化处理，在长度方向间隔100mm的位置设计U型槽，每段的ZN-1阻尼层厚度为0.1mm，约束层材料为M55J/648，厚度为0.625mm。
试验方法为：用力锤作为激励器，用加速度传感器测量加速度响应，采用单点激励、多点拾振的方法获得频响函数，由模态分析软件获得模态阻尼。试验件边界条件：一端固支，通过法兰固定于地轨上，另一端自由，并附加5kg配重块。
复合材料杆和复合材料黏弹阻尼杆的轴向结构阻尼比分别为0.36％和8.54％，后者比前者提高了23.7倍，验证了本发明对提高复合材料杆轴向阻尼的良好效果。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.复合材料黏弹阻尼杆，包括两端安装法兰及安装法兰之间的中间杆，其特征在于：所述的中间杆包含三层，从内至外依次为T系列高强碳纤维复合材料的杆本体(1)、黏弹阻尼层(2)和约束层(3)，中间杆长度200～1000mm；黏弹阻尼层(2)选择损耗因子大于1的阻尼橡胶材料粘贴在杆本体(1)的外部，约束层(3)材料选择M系列的高模量碳纤维复合材料，阻尼层(2)和约束层(3)采用共固化工艺成型；通过在约束层(3)外开U型槽将中间杆分段，中间杆长度方向上的分段数为3～12。
2.根据权利要求1所述的复合材料黏弹阻尼杆，其特征在于：所述的U型槽深为杆本体壁厚的一半，槽宽度最宽为0.2mm。
3.根据权利要求1所述的复合材料黏弹阻尼杆，其特征在于：所述的黏弹阻尼层(2)厚度0.1～0.6mm。
4.根据权利要求1所述的复合材料黏弹阻尼杆，其特征在于：所述的约束层(3)厚度0.5～2.5mm。
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