陀螺球壳振动的阻尼控制

　　引　言

　　复杂电子设备的振动与冲击控制技术是保证其动态特性的重要手段[1]。然而对于陀螺内环球壳之类的精密动态结构而言,许多典型的振动控制方法则很难使用[2]。这是因为,一方面这类结构十分精密紧凑,不允许附加任何主被动隔振或减振设备。另一方面,球壳结构的各阶固有频率分布非常密集且都分布在陀螺的工作频率附近,再加上精密加工与很宽的温域(-40～70℃)工作条件等要求,使得一般高分子阻尼材料也难以使用[2]。针对这种情况,笔者采用高能超声凝固技术制备了金属基(合金铝基)高阻尼复合材料。并利用该材料制成陀螺球壳,从而较好地实现了陀螺球壳的振动控制并满足了产品的一系列技术要求[3]。

　　1　陀螺球壳的振动分析

　　陀螺球壳基本上可简化为完全球壳模型,如图1所示。曲面尺寸取决于球径长R。取球壳母线和纬线方向为正交曲线坐标系的坐标轴方向,中面上任一点的坐标用(θ,)表示。在球壳的轴对称振动中,挠度振型W()所满足的基本方程为

其中:为频率参数,且

　　球壳频率参数取决于厚径比h/R、张角、边界条件及振型阶次,表1给出了陀螺完全球壳常用厚径比的频率参数分布。

　　由式(2)和表1可见,完全球壳的各阶主频分布非常密集,前8阶频率基本分布于陀螺工作频率附近。

　　实践表明,采用原高强度铝合金材料制造的陀螺球壳因共振引起的视场失稳问题严重,大量产品满足规定的指标要求(0.05密位)。

　　希望寻求一种宽频控制方法且不需要增加任何附助设备,还要满足陀螺的各项环境条件。

　　2　金属基高阻尼复合材料的高能超声制备

　　在凝固过程中,通过插入至凝固界面前沿的钛合金声导杆,引入高能超声振动(超声频率为35.4 kHz,界面前沿超声功率密度为1 kW/cm2),利用高能超声振动的局部高温(105K),局部高压(10132500 Pa)和局部空化效应将石墨颗粒和SiC纤维混合弥散到合金铝溶体中,经凝固后得到颗粒致密(0.5～5L)均匀分布的金属基高阻尼复合材料。其高能超声凝固参数如表2所示,凝固控制过程如图2所示。

　　该金属基复合材料产生良好阻尼性能的机制在于材料在很宽的频率范围内受力时(或变形时)异相颗粒内部或基体与颗粒界面处产生塑性变形,导致能量的吸收,即所谓异相型阻尼机制。利用该技术研制的金属基高阻尼材料,不仅可使其阻尼特性远高于基体材料,而且其机械性能也优于基体材料。有关参数与基体材料的对比如表3所示。

　　3　陀螺球壳振动的阻尼控制

　　采用超声凝固技术制备的高阻尼复合材料代替原基体材料加工制造陀螺球壳。实践表明,由于复合材料良好的阻尼性能,从而有效地控制了陀螺球壳的振动,系统视场振动由控制前的0.07密位以上,降至0.02密位以下,从而满足了工程指标。另外由于该材料优越的机械性能和温度特性,从而保证了该陀螺球壳的设计要求和环境条件。鉴定与测试结果表明,通过该方案研制的陀螺球壳,其机械性能和振动参数完全满足了工程要求,达到了规定的指标。