一种包带抱紧结构动态特性的试验研究.docx

? ? 一种包带抱紧结构动态特性的试验研究 ? ? 杨新峰 杨慧 张旭 （1 航天东方红卫星有限公司，北京 100094） （2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094） 1 引言 包带一般用于抱紧设备或结构，它是具有一定宽度的、薄而长的金属带（多为钛合金），包带的两端安装有连接螺栓，可通过螺栓拧紧力矩对包带施加预紧力。包带在航天上最常见的应用是星箭连接解锁包带[1]，星箭连接解锁包带上安装有V 型槽块，对包带施加预紧力则可以压紧卡在V 型槽内的星箭连接法兰，使卫星固定在火箭上。近年对星箭连接解锁包带进行了静力承载、动态包络、连接刚度、分离冲击等诸多研究[2-5]，取得了有效的成果，其应用也较成熟。 目前，包带也开始应用在卫星压力容器的安装上。卫星压力容器，如高压气瓶，在充压后会产生膨胀，而随着在轨期间气体的消耗，使压力容器内部压力降低、容器转而从膨胀状态变为收缩状态。针对这种较大变形的变化特性，高压气瓶在卫星上不能完全固定安装，而可采用包带抱紧安装方式，即用包带把气瓶抱紧到支架上，而支架用螺栓固定在卫星结构上。在包带抱紧的安装方式中，包带具有较大的弹性和强度，可以允许高压容器的变形，而包带与容器之间还垫有毛毡避免刚性接触。包带抱紧方式涉及到复杂的摩擦力和阻尼层，其力学特性随螺栓拧紧力矩不同而变化，不同形式的振动对阻尼的响应也不同，但这种特性变化规律目前还没有进行过深入的研究，对其力学特性还没有全面掌握。为深入了解其动力特性，将对卫星上这种包带抱紧结构的力学特性进行试验研究。 2 包带抱紧结构介绍 以某卫星为例，气瓶的包带安装抱紧结构由三部分组成：气瓶支撑底座、包带、锁紧螺栓螺母。 气瓶支撑底座为铸铝件（图1），侧壁厚2～3mm，安装底面厚5mm，使用17个M5螺钉安装固定。支撑底座的上部支撑环为气瓶的主要接触支撑面。为提高扭转刚度，同时增加支撑底座上框的抗弯性能，在4个球冠支撑处设有加强肋板。气瓶支撑座的尺寸只会影响组合体的刚度，而不影响包带与气瓶的连接刚度，也不会对包带连接动特性的变化规律产生影响。 气瓶包带外形见图2。安装时，包带穿过连接底座在气瓶上半球处用螺栓螺母锁紧。为了降低气瓶与包带之间的接触应力，整条包带长度应足以包覆气瓶。 高压气瓶一般为球形，与包带抱紧结构组装后形成气瓶包带抱紧结构组件。组装时，在气瓶与包带、支座的接触面之间贴有毛毡，以减少应力集中和划痕。气瓶利用包带抱紧结构的安装示意图如图3所示。 图1 支撑底座Fig.1 Support frame 图2 包带Fig.2 Belt 图3 气瓶包带安装方式Fig.3 Belt-clasp installation 3 结构频率特性 施加一定的螺栓拧紧力矩，以保证整体结构的刚度。毛毡材料特性为非线性，在压力下毛毡可以压缩变形，但变形为非线性。毛毡的材料非线性将影响结构振动动态特性。初始压力时，毛毡变形较大，对应的材料弹性模量较小，随着压力的增大，变形越来越小，对应的材料弹性模量较大。因此，逐步施加拧紧力矩后，毛毡将具有较高的弹性模量，整体结构的刚度可以提高。 为研究结构刚度即结构频率的变化规律，对结构施加不同的拧紧力矩，使用0.5gn的正弦振动测量分别得到了整体结构的基频数据。结构基频随拧紧力矩的变化规律见图4。 图4 抱紧结构的基频随拧紧力矩的变化曲线Fig.4 Variation of the fundamental frequency with the preload torque 从图4可以看到，在1Nm 拧紧力矩下，抱紧结构的基频为26.1Hz，频率较低。随着拧紧力矩的增大，结构基频逐渐增高。在2Nm 至6Nm 的过程中，抱紧结构基频增加较快，平均每1Nm 增加7.8Hz。在6Nm 的拧紧力矩下，抱紧结构基频达到59.5Hz。6Nm 以后，随着拧紧力矩增大，虽然结构基频仍然上升，但增幅不大，大约2.3Hz/Nm。可以初步认为，6Nm 的拧紧力矩下结构动特性趋于稳定。 在6Nm 拧紧力矩下，结构达到的刚度已经满足卫星使用要求，此外，此结构还需经受卫星上设备安装处的动态载荷环境。依据星上使用状态下的测量数据，其动态环境载荷按2gn计算。按0.5gn、2gn、0.5gn的振动量级，对整体结构进行正弦振动测量，其振动响应曲线见图5。如图5所示，两次0.5gn振动曲线基本重合，说明在6Nm 拧紧力矩状态下抱紧结构具有所需要的承载能力，而且动态环境载荷作用后结构频率稳定。 图5 6Nm拧紧力矩下顶部测点的振动响应曲线（对数坐标）Fig.5 Vibration response on the top of the structure with the preload torque of 6Nm 4 振动量级对频率的影响 在这种结构中，安装支架到气瓶的