支承发动机管路的金属橡胶阻尼器隔振性能研究

　　金属橡胶应用技术作为航空航天的支撑技术,金属橡胶材料作为空间环境下解决航天器阻尼隔振的特种结构材料,已经得到了越来越多的关注,对金属橡胶材料的需求也呈逐年上升趋势。为了解决空间环境下的阻尼隔振问题,对金属橡胶构件的隔振机理进行了深入研究,为金属橡胶材料在航天领域的广泛应用提供理论依据,最大限度地满足国防工业等对金属橡胶材料的需求。

　　在新一代航天器的设计中,采用新型结构材料已经成为主要的设计原则。发动机外部管路的断裂,是发动机使用过程中常见的故障。引起外部管路断裂的原因,有加工、装配、温度和振动等诸多因素,其中振动是导致管路断裂的主要原因[1]。目前发动机外部管路的卡箍材料多为不锈钢和铝,其强度高,但阻尼太小,不利于隔振。在这种情况下,增加衬垫结构阻尼,将使振动降低并减少故障的发生。基于这种思想,金属橡胶阻尼器被应用到管路支承结构中。

　　金属橡胶材料所具有的非线性阻尼性能是其它材料无法比拟的。该材料是一种多孔材料,其内部金属丝之间的相对滑移耗散了振动能量,形成了干摩擦阻尼。选择恰当的金属材料,将使金属橡胶具有耐高温、耐腐蚀、耐老化、强度高及真空下不挥发等优点,将适合于发动机管路系统中的隔振。根据某型号发动机的要求,在实验中设计了具有一系列密度值的相同结构尺寸的金属橡胶阻尼器。在实验中考察了不同的成型密度、构件成型工艺、安装的预压缩量和激振力水平等对金属橡胶阻尼器隔振效果的影响及规律。同时,利用静态试验数据,通过一系列计算来描述金属橡胶阻尼器的阻尼性能。

　　1　金属橡胶干摩擦阻尼原理

　　金属橡胶阻尼器是通过特殊的制作工艺制成的。在金属橡胶构件的内部,金属丝之间的相对滑动形成了干摩擦,消耗了大量的振动能量。金属橡胶的干摩擦阻尼特性可以用迟滞回线来表示,如图1所示。在回线中,A1和A2表示不同的变形幅值,加载过程用P1(x)来表示,卸载过程用P2(x)来表示,回线的中线表示为L(x),金属橡胶材料的内部的摩擦力用H(x)来表示。它们之间的关系是:

　　为了描述金属橡胶材料的内部接触作用,采用了如图1b所示的模型。在该模型中,将金属橡胶内部的金属丝之间的作用简化为具有端部点接触的悬臂梁模型。金属橡胶材料中的不同层之间的接触作用,用多层悬臂梁来表示。当载荷作用在构件上时,接触点的数目发生变化,由于金属丝之间的相对滑移而产生的干摩擦力的方向总与运动速度相反,因而形成了迟滞现象。当构件承受来自剪切方向的载荷时,悬臂梁之间的接触点数目基本不发生变化,不同层面之间的摩擦力变化不大,因而在此方向上阻尼的作用变化不是很明显。悬臂梁的弹性变形和接触点间的相对滑移而产生的摩擦力的共同作用,形成了金属橡胶构件的刚度。由模型可以知道,金属橡胶构件的刚度和阻尼都是非线性的,这与实验结果相吻合。