安装蜂窝板动力学特性分析及主动控制试验研究

　　1　引　言

　　作为轻质结构材料的蜂窝结构材料,由于其质量轻、刚度大等优点,在航空航天工程中被广泛使用,例如,运载火箭的仪器安装板等。由于运载火箭的运行环境复杂,加速度大,带有随机性和冲击性,在较宽频率范围内会引起结构,包括仪器安装板在内,较大的振动。仪器安装板的振动影响仪器设备的正常运行,因此,对仪器安装板进行动力学特性分析及振动控制是必要的。目前大多数资料都是对简单的板壳层合结构进行有限元分析,而对于复杂的复合材料构成的层壳结构则并不多见。杜华军等通过理论分析建立了蜂窝夹层的等效模型,并附加上约束阻尼结构进行了有限元建模,得到了一些有价值的参考方法[1]。徐胜今等利用Reddy高阶剪切理论对正交异性蜂窝板进行了理论分析,得到了优于低阶剪切理论分析结构的结论,并研究了其静、动力学等效分析方法[223]。张希农等采用压电智能结构对火箭仪器仓仪器安装板(铝质面板)进行了振动主动控制试验研究,获得了很好的抑制效果[425]。

　　本文利用大型通用有限元分析软件ANSYS,对某仪器安装蜂窝板(T300/AG80碳面板)进行了动力学特性的有限元分析以及试验模态分析,有限元模型的建立中减少了大量对蜂窝板面板等效化处理工作,仅对蜂窝芯作等效化处理,整个有限元方法更加通用方便;同时利用ANSYS的模态分析结果和其PSD随机功率谱分析结果为参考,开展压电智能结构在仪器安装蜂窝板上的应用研究,进行了仪器安装蜂窝板的振动主动控制试验研究,发现对该复杂层合结构同样能得到较好的振动抑制效果。分析结果为蜂窝板的动力学特性研究和结构设计,以及实现智能结构振动控制提供了重要的参考依据。

　　2　安装蜂窝板动力特性有限元分析

　　如图1所示,仪器安装蜂窝板上下面板材料为T300/AG80碳面板,厚度为0·75mm,由碳布和无纬布交织铺层而成,碳布每层厚0·15mm,无纬布每层厚0·125mm,铺层方式为:[碳布/0°/90°/90°/0°/碳布];蜂窝材料为LF2,铝壁厚度0·05mm,正六边形方格,边长4mm;夹芯由两部分组成,中间为铝质蜂窝夹芯,两侧边为同厚度纯铝夹板,宽度为30mm;蜂窝板总高15mm,总边长为0·68m。板中布置25个具有一定附加质量的铝质安装孔,安装孔X、Y方向对称分布,间距均为0·12m。

　　首先对蜂窝芯进行等效结构处理,将蜂窝芯等效为同尺寸的正交各向异性材料均匀体。基于安装板这样一个层合特点,有限元分析中采用了AN2SYS中SHELL91壳单元及体现安装孔处的集中质量而引入MASS21质量单元共同建立有限元模型。SHELL91[6]壳单元是一种20节点矩形层合壳单元,它具有3个平动自由度和3个转动自由度。本文有限元模型中横向仅含有一层壳单元,其中每个单元均由17层不同铺层组成,且中心层(第9层)即为等效后的铝蜂窝夹芯层或者纯铝夹条,图2为任意单元的分层结构图。