重复使用运载火箭机构电涡流阻尼技术应用及思考

重复使用航天运载器是航天运输系统发展的重点目标之一,机构技术是运载火箭多功能化、可复用化发展的重要支撑,其减震缓冲功能对阻尼机构有着广泛的需求。电涡流阻尼是一种基于电磁感应原理的非接触式的阻尼产生方式,具有无磨损、无漏液、性能稳定、可靠性高、维护性好、便于长期贮存等优势,并且是一种电涡流阻尼原理的速度型阻尼机构,在车辆制动、建筑减振等工程领域中应用广泛。本文对永磁体电涡流阻尼器的基础原理进行了阐述,按直线式、轴向旋转和径向旋转进行分类,并分析了应用的材料类型。研究了重复使用运载火箭在展开缓冲、抑振隔振、冲击缓冲、主动控制等方面对阻尼机构的需求,详细分析了电涡流阻尼技术在运载火箭机构设计领域的应用现状和发展前景。     

涨圈密封挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性

为研究两端密封型挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性,建立了涨圈密封挤压油膜阻尼器三维非定常流场数值仿真模型。基于Fluent软件中的Mixture多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型数值模拟得到动态油膜压力与气相体积分数的周向分布规律。将计算得到的阻尼器油膜压力与文献中的试验数据对比,结果显示:两者具有较高的一致性。由动态油膜力导出的平均等效阻尼系数与试验采用阻抗法识别的结果相比仅有0.6%的偏差,从而验证了该数值模型与预测方法的有效性。进一步的数值计算表明增大进动半径、进动频率、涨圈密封的狭缝宽度均会使挤压油膜阻尼器流场中的空化现象加重,同时等效阻尼系数降低。      

LIPS-300离子推力器环形会切磁场等效磁路分析研究

针对多种工作模式下推力器放电室磁路设计的复杂性问题,为实现电磁体磁场向永磁体磁场的磁路转换,利用磁路等效法,建立离子推力器磁路系统的等效磁路模型。在此基础上,结合有限元理论,分析获得产生与电磁体磁场的磁路构型相同的永磁体结构尺寸,将离子推力器放电室在永磁体磁场状态与电磁体磁场状态下的磁感应强度进行对比。结果表明:磁路转换后关键点磁感应强度相对误差低于5%,且永磁体样机工作放电损耗为141.8W/A,阳极震荡电压为10V,符合磁路转换要求和磁场设计目标,验证了等效磁路模型分析结果的正确性及方法的可行性。     

基于混合有限元解析法的永磁同步电机永磁体电涡流损耗估计

永磁同步电机永磁体受限于热约束,无法在温度较高的环境下运行,故需减少永磁体上的电涡流损耗,从而降低永磁体上的温度。针对使用有限元法对永磁体电涡流损耗估算时间较长,以及使用解析法估算时难以达到与有限元法相同的精度,采用混合有限元解析法估算永磁体上的电涡流损耗。结合电涡流的反作用,在模拟电机旋转时,无需重复划分三角形区域；使用MATLAB软件仿真模拟,将混合有限元解析法与Galerkin有限元法对比,减少三角形区域划分的个数。由此验证了永磁体上电涡流损耗符合端部效应以及集肤效应的特征,在保证精度的同时,减少了仿真的时间。     

空间结构的阻尼器位置优化设计

研究阻尼器位置的优化设计,用解析的方法推出模态阻尼比对各个位置结点的灵敏度,用于结构振动控制阻尼器布置和数量的寻优。一方面在给定阻尼器个数和阻尼系数的情况下,寻求最优的安装方案,使结构的若干阶模态阻尼比达到最大值。另外还通过nastran和MATLAB的迭代运算来确定阻尼器的安装个数,使若干阶阻尼比达到特定目标要求。文中的算例验证了此方法的有效性,此方法可作为解决复杂结构振动的基础。     

电流变阻尼器用于转子振动控制的实验研究

实验研究了电流变阻尼器在转子振动控制中的应用。实验发现，电流变阻尼器的刚度及阻尼随外加电场强度的增加而增大，支承在电流变阻尼器上的转子系统的振幅在亚临界区及临界转速处随施加的电场强度的增加而减小，而在超临界处则随电场强度的增加而增大；系统的临界转速随电场强度的增加而升高。电流变阻尼器提供的阻尼具有库仑阻尼和粘性阻尼的特点。实验表明电流变阻尼器具有控振效果明显、瞬时可控、耗能小、频带宽及结构简单的特点。     

基于等效磁路的LIPS-200离子推力器磁场特性

以放电室阳极振荡电压和放电损耗的最小化为目标,结合正交试验方法,获得了性能提升后可实现长期稳定工作的LIPS-200离子推力器最佳磁路结构与磁场构型。基于此,运用等效磁路方法,采用有限元离散形式,建立了LIPS-200离子推力器放电室磁场模型,研究了特定空间排布下电磁体的永磁体替代方案。利用放电室磁感应强度测试和整机工作性能对比验证了永磁体替代方案的等效性及分析方法的可行性和计算结果的正确性。结果表明:两种磁场状态下的推力器放电室特征位置磁感应强度相对误差低于5%,且推力器工作敏感参数变化情况符合预期,满足磁路等效目标,达到磁路结构再优化,工作性能再提升的整体目标。      

基于附加质量和电涡流阻尼的薄壁件铣削振动抑制

针对薄壁件铣削颤振问题,提出了基于附加质量和电涡流阻尼的振动抑制方法。首先建立了薄壁件铣削加工动力学模型,通过颤振稳定性分析,获得附加质量和电涡流阻尼对加工稳定域的影响规律;然后提出了薄壁件附加质量优化方法,获取最佳附加质量布局和质量占比;最后设计了一套薄壁件加工抑振装置,开展了薄壁件铣削加工试验,试验表明,当同时添加附加质量组合[15,10,15]和电涡流阻尼时,薄壁件加工振动得到明显抑制,验证了所提出方法的抑振效果。     

磁流体密封结构参数对密封能力的影响

在采用磁场分析法, 并利用不等间距网格的有限差分数值方法对磁流体密封装置中稳态磁场进行分析 [3] 的基础上, 研究了矩形齿磁流体密封装置结构参数对密封能力的影响, 并根据磁路分析方法定性解释了参数对密封能力的影响规律 (参数包括密封间隙、极齿结构参数、永磁体结构参数以及极齿齿数)。根据分析计算的结果, 对磁流体密封进行了优化设计和实验验证, 优化设计出的装置体积和重量降低了50%以上。      

微型阻尼器的研制

研制了一种J-03阻尼材料,最大阻尼系数为1.2,阻尼系数大于0.5的温度范围为—35～40℃。它适于制作小型阻尼器。装有该阻尼器的磁盘驱动器,在振动与冲击的条件下工作正常,在三个方向上的放大倍数小于2.2,阻尼减振性能优于国外同类产品。     

磁流变阻尼器性能及振动控制

基于Bouc-Wen磁滞模型,分析了磁流变阻尼器的性能;采用能量法和梯形积分法计算了磁流变阻尼器的等效线性阻尼系数;将磁流变阻尼器用于结构振动系统隔振,给出了结构在基础激励下的振动控制效果——传递率及稳态响应的相位图。      

厚顶箔的箔片动压轴承性能的数值研究

提出了一种具有厚顶箔特征的箔片动压轴承(TTF-GJFB),并对其进行了建模及分析。针对这种型轴承,采用Newton-Raphson迭代法求解静态气膜雷诺润滑方程和箔片受力方程;采用折合系数法和小扰动法,推导了厚顶箔轴承的动态刚度系数与动态阻尼系数。以此为基础,对厚顶箔轴承和传统箔片轴承进行了对比,并对初始轴承间隙、波箔宽度、顶箔质量对厚顶箔轴承动静态特性的影响进行了研究。结果表明:厚顶箔轴承比传统箔片轴承拥有较大的承载力及偏位角,承载力增幅至少为23%;厚顶箔轴承的动态特性与传统箔片轴承有较大差异;厚顶箔轴承的初始间隙会影响偏位角和承载力,小初始间隙在所有偏心率范围内可以提高承载力和减小偏位角;波箔宽度对轴承静态特性的影响较小,但对动态特性的影响较大,在中低激振比范围内,动态系数基本随着箔片宽度的变窄而变小;厚顶箔的质量会在高激振比下对轴承的动态特性产生影响,使得动态刚度系数上升,动态阻尼系数下降。     

基于新型电涡流阻尼器的大飞机垂尾装配界面精加工振动抑制

大飞机垂尾装配界面是由钛合金制成的大型结构件，由于结构刚度低，在精加工时易产生振动、回弹变形和让刀等现象，对其精加工质量造成严重影响。为此，基于电磁感应原理设计了一款新型电涡流阻尼器用于抑制装配界面精加工中的多模态振动。首先，介绍了阻尼器的结构，并建立了其阻尼特性的理论模型。然后，基于该模型分别研究了不同磁极厚度、导体厚度和磁极数等对阻尼器阻尼特性的影响，并确定了阻尼器关键零组件的材料及几何参数。基于此，建立了装配界面抑制系统的动力学模型，并通过数值分析和有限元仿真方法得到了装配界面振动速度与阻尼器阻尼特性的变化规律。最后，通过动力学测试和切削实验对阻尼器的抑振性能进行了验证。锤击测试结果表明该阻尼器能明显提高装配界面抑振系统的阻尼比和等效刚度，阻尼比最大能提高2.17倍，等效刚度最大能提高1.65倍，能大幅衰减装配界面在冲击激励下产生的自由振动。切削实验结果表明该阻尼器能显著提升装配界面精加工过程的稳定性，装配界面时域信号的振动幅值最大能降低64.4%。通过对比实验结果得知双阻尼器配置对装配界面的抑振效果更好，能明显提高其动态可加工性，工艺参数轴向切深能提高至2.0 mm，主轴转速可提升至500 r/min，这为保证和提高装配界面的精加工质量提供了一种简单可行的解决方案。     

考虑参数关联的缘板阻尼器减振性能分析

建立了缘板阻尼器（UPDs）各参数间的关联关系,揭示了减振性能随主要参数的变化规律,形成参数联动设计准则。基于双叶片-缘板阻尼器集中参数模型,采用多阶谐波平衡法（MHBM）计算稳态响应以衡量阻尼器性能;推导了解析雅可比矩阵,使收敛性和计算效率显著提高。结果表明:考虑参数的关联性是必要的;选取较大材料密度与特定底角的对称楔形缘板阻尼器,可以实现4.57%的最优阻尼比;当激振力存在相位差时,采用非对称的楔形阻尼结构能进一步提升阻尼效果。      

表贴式永磁同步电机永磁体偏心气隙磁场解析

采用分区域的方法对表贴式永磁同步电机磁极偏心的气隙磁场进行推导解析。将求解区域分为永磁体区域、气隙区域、定子槽区域和基于分离变量法利用各区域的边界条件得出相关系数,并在计及永磁体偏心的情况下求解电机气隙磁场。解析模型能够计算电机空载和负载气隙磁场的分布。将解析模型计算结果与有限元分析结果进行对比,发现所建立的解析模型具有较高的准确度。     

飞机蒙皮铆接过程中阻尼减振降噪方法探讨

针对铆接工作过程中振动和噪声过大影响工作人员身体健康以及装配质量等严峻问题,介绍了阻尼减振降噪技术,探讨了铆接过程中阻尼减振降噪的可行性技术,并简要的介绍了国内外在这一方面的研究成果。最后,认为利用建模仿真模拟来优化阻尼结构的设计和开发以及确定阻尼敷设的最优位置等。并总结出如何设计阻尼器以及设计一款合适的阻尼器所必需具备的几个特性。     

叶片缘板阻尼器设计分析中的一些问题

对叶片缘板阻尼器设计分析方法进行了讨论,并对影响阻尼器尼效果的有关参数进行了分析,指出了在设计中如何对影响阻尼器阻尼效果的参数进行分析确定,并提出了缘板阻尼器设计分析中应注意的问题,最后给出了一个实际应用实例的分析结果。     

环形磁铁空间磁场的解析计算与仿真

从永磁体的磁荷模型出发,运用标量磁位法、广义二项式定理、矢量叠加原理等建立了环形磁铁在磁体外部空间磁场分布的解析表达式,并在MATLAB仿真软件中进行了计算。利用三维数字式特斯拉计实际测量了两种规格的永磁体的磁场分布,利用Ansoft Maxwell电磁场分析软件建立了两种永磁体在磁体外部空间的磁场分布,通过对比解析计算结果、实际测量结果和Ansoft Maxwell仿真结果发现解析表达式很好地反映了永磁环空间磁场的分布规律,误差不超过7％,从而验证了解析表达式的正确性。     

弹性环式挤压油膜阻尼器动力学特性系数测试

搭建了弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)的动力学特性测试试验台。利用两个正交方向的简谐激励对ERSFD进行了激振试验,在轴心为圆时测得了阻尼器的位移和载荷数据,并结合阻尼器质心的运动方程分别识别ERSFD油膜和弹性环的动力学特性系数。结果表明弹性环与油膜均具有显著的阻尼和刚度,其中油膜的阻尼和刚度系数随着凸台高度的升高迅速降低,弹性环的刚度和阻尼受凸台高度影响较小;弹性环的厚度对油膜的刚度和阻尼无显著影响;油膜阻尼随供油压力的升高先增大后不变,油膜刚度随着供油压力的升高先增大后减小。不确定度分析结果表明油膜的四个动力学特性系数Cxx、Cyy、Kxx、Kyy的不确定度分别为12.2%、11.5%、18.2%、12.7%。弹性环的四个动力学特性系数Cxx、Cyy、Kxx、Kyy的不确定度分别为30.7%、33.1%、17.0%、12.8%。      

摩擦阻尼减振设计中的局部滑动问题

采用干摩擦阻尼器可以有效抑制系统的振动。在摩擦阻尼减振分析中引入局部滑动模型可以更好地描述摩擦阻尼抑制振动的机理。采用局部滑动模型,建立了阻尼器在局部滑动阶段阻尼力与振动位移之间的关系,按照能量等效原则,将阻尼器的刚度、阻尼进行等效并引入振动系统中,发展了带摩擦阻尼系统的振动响应分析方法。通过对带摩擦阻尼器平板叶片的振动响应分析,结果表明:阻尼器在局部滑动阶段,对系统振动的抑制有明显的效果,并且适当施加正压力能使系统在共振状态下的响应达到最小。