基于压电复合材料的航天器抑振结构及方法

1.本发明涉及压电俘能领域和机械振动控制领域，尤其涉及一种基于压电复合材料的航天器抑振结构及方法。


背景技术：

2.航天器在发射和动力飞行阶段会经历极其恶劣的力学环境，须承受起飞、级间（整流罩）分离、二次点火、关机和入轨等操作引起的振动、冲击、噪声和热环境等载荷。航天器壳体的振动严重影响着工作的效率与安全，而主动控制技术结构复杂且控制繁琐，传统被动控制抑振效果不佳且可靠性低。本发明通过复合材料的构建，采用被动抑振的方式控制航天器的振动，利用压电材料的正压电效应将振动机械能转化为电能，并通过航天器壳体的自身电阻性进一步转化为热而传导至系统外。本发明利用碳纤维复合材料的抗冲击性、耐高温、强耐磨性等优势和压电材料的响应快、不受电磁和辐射干扰等优势，使得本发明结构简单、可靠性强，适用于航天器等领域，具有较高的经济效益和应用前景。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于压电复合材料的航天器抑振结构及方法。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于压电复合材料的航天器抑振结构，航天器的壳体成圆筒状，航天器抑振结构包含2n 4m个压电振动单元，n、m均为大于等于1的自然数；所述航天器的壳体在其一阶弯振模态应变最大位置处周向均匀设有2n个安装凹槽，在其两个二阶弯振模态应变最大位置处均周向均匀设有2m个安装凹槽；所述2n 4m个压电振动单元一一对应设置在所述航天器壳体的2n 4m个安装凹槽内，均包含固定盖和压电陶瓷片，其中，所述压电陶瓷片为压电材料pzt的片状结构、沿其厚度方向极化，压电陶瓷片的下端面通过固定在其对应安装凹槽的底壁上、和航天器壳体电气相连；所述固定盖采用碳纤维复合材料制成，盖在压电陶瓷片上且在其对应安装凹槽处和航天器壳体密闭固连；所述固定盖和压电陶瓷片、航天器壳体均电气相连，使得压电陶瓷片两侧通过固定盖、航天器壳体形成串联闭合回路；所述2n 4m个压电振动单元中压电陶瓷片的极化方向均朝外或均朝内。
5.作为本发明基于压电复合材料的航天器抑振结构进一步的优化方案，所述压电振动单元中的压电陶瓷片通过导电胶固定在其对应安装凹槽的底壁上、和航天器壳体电气相连。
6.作为本发明基于压电复合材料的航天器抑振结构进一步的优化方案，所述压电振动单元中固定盖的纤维方向为单向的、平行于航天器的轴线。
7.航天器的壳体在其一阶弯振模态应变最大位置处在其轴长1/2处，两个二阶弯振模态应变最大位置处分别在其轴长1/4、3/4处。
8.压电陶瓷片尺寸稍小于其对应的安装凹槽，压电陶瓷片通过导电胶粘贴或嵌入其对应的安装凹槽内；压电陶瓷片在厚度方向产生形变时，发生正压电效应产生电场，在压电陶瓷片的内外表面出现电压变化，进而产生电场，将机械能转化为电能，并且电能通过航天器壳体的自身电阻性进行耗散，之后以热能形式散出。
9.航天器在工作状态中，由于一阶弯振模态、二阶弯振模态以及三阶弯振模态频率相对较低，其振动严重影响着航天器的正常工作及安全。本发明中航天器壳体、2n 4m个压电振动单元构成了新型复合材料，由于压电陶瓷片具有较强的机电耦合特性、相应快、抗电磁干扰、抗辐射性能等优势，碳纤维复合材料具有强抗拉性能、耐高温、强耐磨性、抗冲击性、较强固定性能等优势，使得本发明复合材料结构适宜航天器的工作环境，利用压电材料在系统发生振动产生形变时的机电耦合特性，将能量进行转化并耗散传导至系统外，通过增添能量传导至系统外的通道方式减小振动幅度。
10.本发明还公开了一种该基于压电复合材料的航天器抑振结构的抑振方法，包含以下步骤：航天器壳体处于稳定状态时，各个压电振动单元中压电陶瓷片的上下表面均呈电中性；当航天器壳体被激发产生一阶弯曲振动、二阶弯曲振动、三阶弯曲振动时，航天器壳体产生形变，受到压应力的压电振动单元的压电陶瓷片沿着极化方向伸长，发生正压电效应而产生感应电场，感应电场方向沿厚度方向与极化方向相反；受到拉应力的压电振动单元的压电陶瓷片沿着极化方向缩短，发生正压电效应而产生感应电场，感应电场方向沿厚度方向与极化方向相同；产生感应电场的压电陶瓷片均通过航天器壳体的自身电阻使得其产生的正负电荷进行中和耗散后以热能的形式散出，减小航天器壳体的振动幅度。
11.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1.本发明采用复合结构，外壁应用碳纤维复合材料，使得本发明具有抗冲击、耐高温、耐磨、强度大和重量轻等优势；2.本发明中的压电材料的应用，使得本发明对一阶、二阶和三阶弯振都具有良好的抑振效果，并采用被动抑振方法，使得结构简单，具有可靠性强、响应快、不受电磁和辐射干扰等优势；3.本发明通过复合材料结构的构建，利用航天器自身电阻性，采用振动被动控制，使得结构简单、适合航天器的轻量化、抗冲击、抗辐射、耐高温等苛刻要求。
附图说明
12.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的剖面示意图；图3是本发明中航天器壳体、压电陶瓷片、固定盖相配合组成的等效电路示意图；图4是本发明在一阶弯振模态下压电陶瓷片的受力状态示意图；图5是本发明在二阶弯振模态下压电陶瓷片的受力状态示意图；图6是本发明在三阶弯振模态下压电陶瓷片的受力状态示意图。
13.图中，1-航天器的壳体，2-压电陶瓷片，3-固定盖。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
15.如图1所示，本发明公开了一种基于压电复合材料的航天器抑振结构，航天器的壳体成圆筒状，航天器抑振结构包含2n 4m个压电振动单元，n、m均为大于等于1的自然数；所述航天器的壳体在其一阶弯振模态应变最大位置处周向均匀设有2n个安装凹槽，在其两个二阶弯振模态应变最大位置处均周向均匀设有2m个安装凹槽；如图2所示，所述2n 4m个压电振动单元一一对应设置在所述航天器壳体的2n 4m个安装凹槽内，均包含固定盖和压电陶瓷片，其中，所述压电陶瓷片为压电材料pzt的片状结构、沿其厚度方向极化，压电陶瓷片的下端面通过固定在其对应安装凹槽的底壁上、和航天器壳体电气相连；所述固定盖采用碳纤维复合材料制成，盖在压电陶瓷片上且在其对应安装凹槽处和航天器壳体密闭固连；所述固定盖和压电陶瓷片、航天器壳体均电气相连，使得压电陶瓷片两侧通过固定盖、航天器壳体形成串联闭合回路，如图3所示；所述2n 4m个压电振动单元中压电陶瓷片的极化方向均朝外或均朝内。
16.所述压电振动单元中的压电陶瓷片通过导电胶固定在其对应安装凹槽的底壁上、和航天器壳体电气相连。
17.所述压电振动单元中固定盖的纤维方向为单向的、平行于航天器的轴线。
18.航天器的壳体在其一阶弯振模态应变最大位置处在其轴长1/2处，两个二阶弯振模态应变最大位置处分别在其轴长1/4、3/4处。
19.压电陶瓷片尺寸稍小于其对应的安装凹槽，压电陶瓷片通过导电胶粘贴或嵌入其对应的安装凹槽内；压电陶瓷片在厚度方向产生形变时，发生正压电效应产生电场，在压电陶瓷片的内外表面出现电压变化，进而产生电场，将机械能转化为电能，并且电能通过航天器壳体的自身电阻性进行耗散，之后以热能形式散出。
20.航天器在工作状态中，由于一阶弯振模态、二阶弯振模态以及三阶弯振模态频率相对较低，其振动严重影响着航天器的正常工作及安全。本发明中航天器壳体、2n 4m个压电振动单元构成了新型复合材料，由于压电陶瓷片具有较强的机电耦合特性、相应快、抗电磁干扰、抗辐射性能等优势，碳纤维复合材料具有强抗拉性能、耐高温、强耐磨性、抗冲击性、较强固定性能等优势，使得本发明复合材料结构适宜航天器的工作环境，利用压电材料在系统发生振动产生形变时的机电耦合特性，将能量进行转化并耗散传导至系统外，通过增添能量传导至系统外的通道方式减小振动幅度。
21.本发明还公开了一种该基于压电复合材料的航天器抑振结构的抑振方法，包含以下步骤：航天器壳体处于稳定状态时，各个压电振动单元中压电陶瓷片的上下表面均呈电中性；当航天器壳体被激发产生一阶弯曲振动、二阶弯曲振动、三阶弯曲振动时，航天器壳体产生形变，受到压应力的压电振动单元的压电陶瓷片沿着极化方向伸长，发生正压电效应而产生感应电场，感应电场方向沿厚度方向与极化方向相反；受到拉应力的压电振动
单元的压电陶瓷片沿着极化方向缩短，发生正压电效应而产生感应电场，感应电场方向沿厚度方向与极化方向相同；产生感应电场的压电陶瓷片均通过航天器壳体的自身电阻使得其产生的正负电荷进行中和耗散后以热能的形式散出，减小航天器壳体的振动幅度。
22.如图4所示，当航天器被激发产生一阶弯曲振动时，其周期步骤如下：步骤a.1），航天器壳体处于稳定状态，压电陶瓷片的上下表面呈电中性；当航天器受到冲击等载荷变化发生一阶弯曲振动，航天器壳体两侧开始产生相对位移；步骤a.2），航天器壳体产生形变，一侧（图中上侧）受到压应力，使得压电陶瓷片沿着极化方向伸长，发生正压电效应而产生感应电场，感应电场方向沿厚度方向与极化方向相反；而另一侧（图中下侧）受到拉应力，使得压电陶瓷片沿着极化方向缩短，发生正压电效应而产生感应电场，感应电场方向沿厚度方向与极化方向相同；由于压电陶瓷片的上下表面通过航天器壳体和固定盖串联，其产生的电能通过航天器壳体的自身电阻进行消耗，并以热能的形式散出；步骤a.3），航天器壳体恢复稳定状态，此时无感应电场；步骤a.4），航天器壳体变形方向与所述步骤a.2）相反，压电陶瓷片由于在厚度方向发生了形变，受到拉应力的一侧压电陶瓷片产生了与极化方向相同的感应电场；而受到压应力的一侧压电陶瓷片产生了与极化方向相反的感应电场；压电陶瓷片产生的电能通过航天器壳体的自身电阻进行消耗，并以热能的形式散出；步骤a.5），航天器壳体恢复稳定状态，此时无感应电场。
23.如图5所示，当航天器被激发产生二阶弯曲振动时，其周期步骤如下：步骤b.1），航天器壳体处于稳定状态，压电陶瓷片的上下表面呈电中性；当航天器受到冲击等载荷变化发生二阶弯曲振动，航天器壳体开始产生变形；步骤b.2），航天器壳体产生形变，在二阶弯振的最大应变处，即全长的0.25和0.75位置处变形量最大，此处的压电陶瓷片分别受到压应力和拉应力，在厚度方向产生了形变，受到压应力的压电陶瓷片产生与极化方向相反的感应电场，而受到拉应力的压电陶瓷片产生与极化方向相同的感应电场；处于一阶弯振应变最大处（即全长0.5位置处）的压电陶瓷片，在厚度方向未发生形变或形变较小；压电陶瓷片产生的电能通过航天器壳体的自身电阻进行消耗，并以热能的形式散出；步骤b.3），航天器壳体恢复稳定状态，此时无感应电场；步骤b.4），航天器壳体变形方向与所述步骤b.2）相反，处于二阶弯振最大应变处的压电陶瓷片由于在厚度方向发生了形变，受到拉应力的一侧压电陶瓷片产生了与极化方向相同的感应电场，而受到压应力的一侧压电陶瓷片产生了与极化方向相反的感应电场；压电陶瓷片产生的电能通过航天器壳体的自身电阻进行消耗，并以热能的形式散出；步骤b.5），航天器壳体恢复稳定状态，此时无感应电场。
24.如图6所示，当航天器被激发产生三阶弯曲振动时，其周期步骤如下：步骤c.1），航天器壳体处于稳定状态，压电陶瓷片的上下表面呈电中性；当航天器受到冲击等载荷变化发生三阶弯曲振动，航天器壳体开始产生变形；步骤c.2），航天器壳体产生形变，在一阶弯振和二阶弯振的最大应变位置处分别处于三阶弯振的波谷和波峰位置，形变量最大，压电陶瓷片在厚度方向上均发生形变；受到压应力的压电陶瓷片产生与极化方向相反的感应电场，而受到拉应力的压电陶瓷片产生与
极化方向相同的感应电场；压电陶瓷片产生的电能通过航天器壳体的自身电阻进行消耗，并以热能的形式散出；步骤c.3），航天器壳体恢复稳定状态，此时无感应电场；步骤c.4），航天器壳体变形方向与所述步骤c.2）相反，压电陶瓷片由于在厚度方向发生了形变，受到拉应力的一侧压电陶瓷片产生了与极化方向相同的感应电场，而受到压应力的一侧压电陶瓷片产生了与极化方向相反的感应电场；压电陶瓷片产生的电能通过航天器壳体的自身电阻进行消耗，并以热能的形式散出；步骤c.5），航天器壳体恢复稳定状态，此时无感应电场。
25.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
26.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。