低频振动控制用阻尼器流固耦合仿真*

李振哲 华璟 孙杰 周徐斌 刘兴天†

(1.上海卫星工程研究所，上海 201109)(2.上海航天技术研究院，上海 201109)

引言

高分辨率是遥感探测类卫星发展的永恒方向，分辨率的提升使得搭载的相机口径以及天线阵面不断向大尺度，大挠性方向发展.此外，卫星功率的增大也使太阳阵等挠性结构进一步加大.挠性结构的增多会导致卫星姿态机动或受外界扰动后产生频率低、持续时间长的振动，进而影响姿态控制效果和卫星成像性能[1].为了保证卫星挠性结构的振动快速衰减，采取被动阻尼减振是可靠性高、性能优良的方法，该方法已在多个卫星上在轨应用[2].

著名的哈勃望远镜太阳阵就采取了黏性阻尼减振措施，还使用Honeywell公司设计的流体阻尼器来隔离飞轮产生的扰动[3]；Davis等人在两参数流体阻尼器的基础上设计了一种固有频率为1.5 Hz的三参数被动流体阻尼器来隔离反作用飞轮产生的微振动[4]；美国国家航空航天局研发的D-strut流体阻尼器用于航天器桁架结构的减振与控制力矩陀螺的隔振上[5].国内的陆泽瑜[6]、邓国红[7]、彭志科[8]还使用了非线性阻尼进行隔振研究.对于流体阻尼器的仿真国内学者也进行了大量研究.徐晓东使用Ansys CFX软件仿真分析不同频率的激励对孔隙式流体阻尼器性能产生的影响[9]；陈威使用MATLAB软件模拟分析了阻尼孔大小、阻尼孔长度、硅油黏度等对流体阻尼器性能的影响[10]；丁行武使用CFD软件对孔隙式阻尼器进行了仿真计算与实验分析[11].

本文设计了一种新型流体阻尼器，通过对结构增加阻尼器件，提高挠性结构的阻尼比，在轨时快速衰减挠性结构的低频振动，减少挠性附件低频振动对整星姿轨控系统的影响，提升卫星的在轨稳定度.

本文的创新点通过有限元软件对不同参数的阻尼器进行流固耦合仿真分析，得到了阻尼孔径、阻尼孔长度对阻尼力的影响规律，验证了最佳阻尼系数的存在，为阻尼器的性能分析和工程应用提供设计指导.

1 流体阻尼器结构与工作原理

设计的流体阻尼器结构示意图如图1所示，主要由上阻尼筒、U形柔性筒、下阻尼筒、波纹管、弹簧等组成.上阻尼筒、U形柔性筒与下阻尼筒按示意图中顺序相连接，通过结构间的空隙构成上腔体.下阻尼筒与波纹管通过焊接相连，波纹管下端与下阻尼筒之间安装预紧弹簧提供背压，通过结构间的空隙构成下腔体.上下两个阻尼腔通过下阻尼筒中的阻尼孔连接，构成一个完整的阻尼器内部流场.

图1 流体阻尼器结构示意图

如果阻尼器受到压缩或拉伸，将会产生轴向的变形，压缩或拉伸U形柔性筒，引起上阻尼腔内阻尼液体积减小或增大，从而使阻尼液流入或流出阻尼孔，产生阻尼力，起到振动抑制的作用.将柔性筒设计成U形结构，其外径远大于阻尼孔的直径，当柔性筒发生很小的形变时，阻尼液的体积会发生较大的变化，从而可以增加流经阻尼孔的流量，在较小激励下产生较大的阻尼.

2 流体阻尼器仿真计算

为了研究流体阻尼器的阻尼力、滞回耗能性能及等效阻尼系数等参数，本文使有限元软件对阻尼器进行流固耦合仿真计算，对硅油通过阻尼器内阻尼孔后阻尼器内部的流场进行仿真.首先用三维建模软件建立流体和固体的三维模型，将建立好的模型导入有限元软件中，分别对流体和固体部分进行网格划分和计算设置，然后把划分完成的流体和固体进行耦合分析.同时在仿真分析时，作出如下假设：(1)流体不可压缩；(2)忽略温度影响；(3)流体流动满足流量的连续性条件.

2.1 有限元模型

阻尼器的有限元模型分别由流体部分和固体部分组成.固体部分由上阻尼筒，柔性筒以及下阻尼筒组成，计算模型如图2所示，其中下阻尼筒的下端与波纹管相连接，波纹管的下端受弹簧压缩，提供背压，本次采取在出口设置背压的方式进行弹簧力的模拟.实体模型采用六面体单元，流体部分采用四面体单元进行网格划分

(a) 流体部分有限元模型

2.2 阻尼系数计算方法

流体阻尼器动力学模型的阻尼系数通常使用有限元软件仿真分析或者实验测试得到.本文通过仿真分析得到流体阻尼器固定端支反力与流体阻尼轴向位移间接计算出流体阻尼器动力学模型的阻尼系数.

由于流体阻尼器的阻尼特性，对流体阻尼器施加正弦位移激励时，输入的位移与输出的流体阻尼器支反力的数值会形成一个封闭的曲线，这个封闭曲线被称为迟滞回线，该曲线围成的面积与流体阻尼器由于阻尼作用在正弦位移激励下一个周期内消耗的能量呈正比.本文通过迟滞回线的方法处理仿真得到的流体阻尼器固定端支反力与流体阻尼轴向位移，以此计算流体阻尼器的阻尼系数.

因此，当对流体阻尼器施加一个正弦位移激励x(t)=x0sin(ω0-θ)t时，产生的阻尼力为：

(1)

在一个周期内流体阻尼器消耗的能量为：

(2)

此时流体阻尼器阻尼系数为：

(3)

如图3所示，本次仿真将A面设置为固定端并记录该面的支反力，对B面施加正弦速度激励，最大位移为0.025 mm，将内部与流体接触的面设置为耦合面进行仿真分析.通过流固耦合的方法仿真得到流体阻尼器固定端支反力与流体阻尼轴向位移，以此得到各工况的迟滞回线，并以此计算流体阻尼器的阻尼系数.

图3 流固耦合参数设置

本文通过仿真得到的阻尼孔孔径0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm工况下迟滞回线如图4所示.通过迟滞回线的面积对流体阻尼器各参数进行计算分析.

(a) 0.6 mm孔径迟滞回线图

3 仿真结果分析

3.1 阻尼器内流场特性

图5为激励速度最大时阻尼器流体区域的压力场分布图，此时流场压力达到最大值.从图中可以看出左右两侧腔体内压力基本保持恒定，而阻尼孔中压力从右至左呈线性增大的规律.

图5 流体压力场分布图

提取了阻尼孔内A,B,C三点处流体压力随时间的变化规律，如图6所示，阻尼孔内各点的流体压力随时间成正弦变化，当激励速度达到最大值时，流体压力也达到最大值.压力变化的幅值由A点到C点逐渐减小.

(a) 点A处流场压力随时间变化曲线图

3.2 阻尼孔径对阻尼系数的影响

流体阻尼器阻尼孔径是影响其隔振性能的重要因素之一，阻尼孔的直径会影响阻尼器的动刚度和阻尼系数.本文分析了改变阻尼孔径对阻尼器隔振性能的影响，计算参数如表1所示.

表1 计算参数

图7是在1Hz激励下不同孔径时阻尼系数随孔径大小的变化规律.由图可知，随着阻尼孔径的增加，在阻尼活塞中流经阻尼孔的流量先增大后减小，因而阻尼系数随阻尼孔径的增大而先增加后减小.

图7 不同孔径阻尼系数变化规律

3.3 阻尼孔长对阻尼系数的影响

流体阻尼器阻尼孔长也是影响其隔振性能的重要因素之一.本文分析了改变阻尼孔长对阻尼器隔振性能的影响，计算参数如表2所示.

表2 计算参数

图8是在1 Hz激励下不同孔长时阻尼系数随孔长度的变化规律.由图可知，阻尼系数随着孔长先增大后减小，因为孔长较小时，主要是阻尼活塞内流经阻尼孔的流体产生阻尼，随着阻尼孔的增长，流经阻尼孔的流体摩阻耗能增多，阻尼系数增大，当阻尼孔继续增长时，液阻产生的影响变大，阻尼活塞内被压缩的流体增多，因此阻尼孔内的流量减少，导致阻尼系数减小.

图8 不同孔长阻尼系数变化规律

3.4 激励频率对阻尼系数的影响

流体阻尼器的阻尼系数随着激励频率不断改变，因此，本文分析了激励频率对阻尼系数的影响，计算参数如表3所示.

表3 计算参数

图9是阻尼系数随激励频率的变化曲线.由图中可知，随着激励频率的增大，阻尼系数减小，其原因在于激励频率增大时，液阻迅速增大，阻尼活塞内被压缩的流体也增大，因此通过阻尼孔的流量减小，阻尼系数也减小.

图9 不同激励频率阻尼系数变化规律

4 结论

本文设计了一种流体阻尼器，并采用流体力学仿真软件对其进行了流固耦合仿真分析.仿真结果表明，在低频激励下，随着孔径与孔长的增加，阻尼系数先增大后减小，以最大阻尼系数为目标，存在对应的最佳阻尼孔径与孔长，其大于或小于最佳孔径与孔长，阻尼系数均减小.随着激励频率的增加，阻尼系数减小.在实际应用与挠性附件减振时，应根据结构和基频信息合理设计参数以达到最佳阻尼比和减振效果.本文对此类低频振动控制用阻尼器的设计具有一定的指导作用.