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1、小卫星隔振减振系统的动力学设计 硕士学位论文小卫星隔振减振系统的动力学设计DYNAMIC DESIGN OF VIBRATION ISOLATION AND ATTENUATION SYSTEM FOR SMALL SPACECRAFTS张业伟 哈尔滨工业大学 2009年6月 国内图书分类号:V414.3学校代码:10213 国际图书分类号:629.78 密级:公开工学硕士学位论文小卫星隔振减振系统的动力学设计硕士研究生:张业伟 导 师:方勃 教授 申请学位:工学硕士 学科:一般力学与力学基础 所 在 单 位:飞行器动力学与控制研究所 答 辩 日 期:2009 年 6 月 授予学位单位:哈尔滨
2、工业大学Classified Index: V414.3U.D.C: 629.78 Dissertation for the Master Degree in Engineering DYNAMIC DESIGN OF VIBRATION ISOLATION AND ATTENUATION SYSTEM FOR SMALL SPACECRAFTSCandidate: Zhang Ye wei Supervisor: Prof. Fang Bo Academic Degree Applied for: Master of Engineering General and Fundamental M
3、echanicsSpeciality: Spacecraft Dynamics and Control Affiliation: Institute Date of Defence: June, 2009 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 卫星在发射过程中的振动环境比其在轨运行时更为恶劣,整星隔振和卫星局部减振可以使卫星的动力学环境得到改善。整星隔振技术能够隔离传递到卫星上的振动载荷,卫星的局部减振可以满足对于卫星上敏感部件的局部减振要求。本文研究了小卫星隔振减振系统的
4、动力学设计问题。本文首先讨论了卫星隔振减振的基本理论,对典型小卫星进行了整星隔振技术的理论研究,进行了隔振系统固有频率和模态阻尼比的影响因素分析,计算了整星隔振系统的振动传递率,完成了隔振系统的动力学设计和结构设计。 然后对隔振器进行了实模态分析和复模态分析,得出了隔振器的各个动力学参数的变化规律,进而设计出适用于小卫星的整星隔振器。通过进行整星隔振系统的动力学分析,得出了仅使用适配器与使用整星隔振系统的小卫星的模态对比,结果表明整星隔振系统的一阶纵向和一阶横向固有频率均有降低。以小卫星上的某些特殊点作为参考对象进行了整星隔振系统的频响分析,结果表明使用隔振器对整星振动的抑制明显,对卫星的纵向
5、振动和横向振动均具有理想的隔振性能。 昀后研究了小卫星的局部振动控制问题,采用 添加动力吸振器和约束阻尼层的方法降低小卫星的局部振动,仿真结果表明这两种针对小卫星的动力学减振方案设计合理,具有理想的减振效果,可以应用到卫星实际减振中。关键词 小卫星;整星隔振;局部减振;振动传递率;动力学设计 - I - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract The vibration environment of the spacecraft during launching is much worse than that when during its orbital movement. The
6、 whole-spacecraft vibration isolation technology and the spacecraft local vibration attenuation can improve the dynamic environment of the spacecraft. The whole-spacecraft vibration isolation can isolate the vibration loads transferred to the satellite, while the local vibration attenuation can sati
7、sfy the demand of some sensitive elements of the satellite. The dynamic design problems of the whole-spacecraft vibration isolation and the spacecraft local vibration attenuation are studied in this dissertationThe fundamental theory of the spacecraft vibration isolation and attenuation is discussed
8、 first. The whole-spacecraft vibration isolation technology for small satellite is studied. The natural frequencies and the modal damping ratios of the isolation system are analyzed. The vibration transmissibility of the isolation system is calculated. The dynamic design and the structural design of
9、 the system are completedThe real modals and complex modals of the isolation system are analyzed and the dynamic parameters of the system are obtained. The whole-spacecraft vibration isolation for small satellite is designed. By comparing the dynamic modals of the satellite with and without the isol
10、ation system, we found that thefirst order longitudinal natural frequency and the first order transverse natural frequency are both decreased. Based on some special points of the satellite, the frequency response analysis is conducted and the simulation results show that the isolation can restrain t
11、he vibration of the whole satelliteThe method of this paper can isolate the vibration both in longitudinal and transverse directionsThe problem of the local vibration control for small satellite is studied at last. Two strategies, adding dynamic vibration absorber or constrained damping layers, are
12、used to attenuate the local vibration. The simulation results indicate that the two designs are both good for the vibration attenuation, and they can be applied to the spacecraft vibration attenuation practically Keywords small satellite; whole-spacecraft vibration isolation; local vibration attenua
13、tion; vibration transmissibility; dynamic design - II - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要I Abstract. II第1章 绪论1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外在该方向的研究现状.2 1.2.1 国内外整星隔振器研究状况.2 1.2.2 航天器局部减振研究现状.5 1.3 本文的主要内容.5 第2章 卫星隔振减振的振动理论基础.7 2.1 单自由度系统的传递函数与频响分析.7 2.2 多自由度系统的传递函数和频响函数分析10 2.2.1 比例阻尼系统.10 2.2.2 一般阻尼系统.12 2.3 本章小结.16 第3章
14、整星隔振器原理性设计.17 3.1 动力学方程建立.17 3.2 系统固有频率和模态阻尼比影响因素分析19 3.3 整星隔振器传递率分析.26 3.4 本章小结.28 第4章 隔振器参数设计与隔振性能分析.30 4.1 隔振器参数设计.30 4.1.1 隔振器实模态分析31 4.1.2 隔振器复模态分析34 4.2 隔振器隔振性能分析37 4.2.1 整星隔振系统的模态分析37 4.2.2 整星隔振系统的频响分析38 4.3 本章小结.44 第5章 卫星局部减振研究.45 5.1 添加动力吸振器.45 5.2 约束阻尼层的应用.47 - III - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5.2.1
15、约束阻尼层减振原理及建模研究48 5.2.2 局部减振算例分析50 5.3 本章小结.51 结论52 参考文献.53 攻读学位期间发表的学术论文.56 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.57 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.57 致谢58 - IV - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1.1 课题背景 人造卫星是昀令人惊异的产品之一,用来通信 ,天气预报等,和其他产品一样,人造卫星经历了设计、制造、测试、运输。然而,人造卫星的远距离运输和其他产品相比是一个非常复杂的过程,从 1957 年发射第一颗人造卫星开始,运载火箭的运载能力和可靠性得到巨大的提高,唯一没有进步的是 45 年来(2003 年)人造卫星所遭受的恶劣冲击环境一直没有得到改善,动力过载和冲击是卫星杀手,导致电子设备,光学仪器,其他敏感仪器设备,为了保障仪器,有效载荷必须保持很高的动力学标准,极大的增加了成本开销,一个很好的选择就是进行整星被动隔振。 隔振的目的就是隔离从星箭界面传到卫星的载荷,整星隔振( Whole-Spacecraft Vibration Isolation,简
