[发明专利]复合材料黏弹阻尼杆

说明书

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。