一种低频隔振超结构单元、超结构及超结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种低频隔振超结构单元、超结构及超结构设计方法，能够解决隔振装置难以满足小型化、轻量化要求的问题，以及隔振导致的结构刚度和强度降低的问题。所述低频隔振超结构单元包括：外部保护结构(1)、内部质量块(2)及弯折结构(3)；外部保护结构(1)为凹形结构且有开口的一侧竖直放置；所述内部质量块(2)配置于所述外部保护结构(1)靠近竖直内壁的一侧，所述内部质量块(2)仅在其顶部靠近凹形结构开口一侧与所述弯折结构(3)连接；所述弯折结构(3)所述弯折结构配置于外部保护结构(1)靠近开口的一侧，所述弯折结构(3)包括沿竖向拼接的M个几字形结构(18)、顶部竖梁(12)及顶部横梁(13)。顶部横梁(13)。顶部横梁(13)。

【技术实现步骤摘要】
一种低频隔振超结构单元、超结构及超结构设计方法


[0001]本申请涉及隔振
，尤其涉及一种低频隔振超结构单元、超结构及超结构设计方法。

技术介绍

[0002]平板结构在航天工程中广泛用于固定各类设备和仪器。在运行过程中，一些设备会产生机械振动。这些振动在板壳中传递至其他有效载荷处，引起其中敏感载荷(如相机、雷达等)失效或者破坏，严重制约着星间激光通讯精度、系外天体探测精度、对地成像精度等航天器系统性能指标的提升。因此亟需开展对平板结构中特定区域的隔振技术研究，以减少振动对敏感载荷性能的影响。
[0003]一方面，由于卫星等航天器依赖运载火箭发射升空，其所携带的有效载荷受限于火箭运力，这使得隔振装置的设计必须满足微型化和轻量化；另一方面，在发射和在轨运行过程中，航天器需要承受运载火箭、火工品等带来的冲击载荷，这要求隔振装置本身具有一定抗冲击性能；此外，航天器在不同工作阶段所受振动载荷频率不同，这使得设计隔振装置时必须考虑不同工作频率；同时，由于复合材料、变截面平板等在航天工程中的广泛应用，其振动模态分析复杂。这些问题给隔振装置设计带来严重挑战。
[0004]现有隔振技术可分为隔振装置和隔振材料两种技术途径。其中，隔振装置一般存在零部件数量多、装配精度要求高、系统非线性强、体积大、附加质量大等缺点，尤其是面对低频隔振问题时难以满足小型化、轻量化要求；隔振材料法一般通过在设备连接处增加软材料、软结构以实现隔振，但是这种技术途径对于低频隔振效果较差，还会造成航天器整体或关键部位刚度、强度显著降低，在冲击载荷作用下极易发生破坏。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本申请提出了一种低频隔振超结构单元、超结构及超结构设计方法，用以解决现有技术中隔振装置难以实现小型化、轻量化的问题、隔振导致的结构刚度和强度降低的问题。
[0006]根据本申请的第一方面，提供一种低频隔振超结构单元，所述低频隔振超结构单元包括：
[0007]外部保护结构、内部质量块及弯折结构；
[0008]所述外部保护结构为凹形结构且有开口的一侧竖直放置；所述内部质量块及弯折结构配置于由所述外部保护结构的三个内壁及开口限定的腔体内；所述外部保护结构的外壁有三个面，每个外壁面均有一个内壁面与之对应，外壁的相互平行的两个面分别为第一外壁面、第二外壁面，所述外部保护结构且有开口的一侧竖直放置时，所述第一外壁面为上壁面，所述第二外壁面为下壁面；与第一外壁面、第二外壁面垂直的外壁面为第三外壁面；
[0009]所述内部质量块配置于所述外部保护结构靠近竖直内壁的一侧，所述内部质量块在其顶部靠近凹形结构开口一侧与所述弯折结构连接；
[0010]所述弯折结构配置于外部保护结构靠近开口的一侧，所述弯折结构包括沿竖向拼接的M个几字形结构、顶部竖梁及顶部横梁，M>1；所述几字形结构由尺寸相同的第一竖梁、第二竖梁，以及尺寸相同的第一横梁、第二横梁组成，所述第一横梁、第二横梁的两端分别为头部和尾部，其中靠近凹形结构开口侧的一端为头部；所述第一横梁位于所述第二横梁的下方，第一横梁与第二横梁的两端面平齐；第一横梁与第二横梁均为等截面直梁，截面为矩形；所述第一横梁具有水平方向的第一底面及第二底面，所述第二横梁具有水平方向的第三底面及第四底面，所述第一底面、第二底面、第三底面、第四底面彼此平行；所述第一竖梁的上底面固定于所述第一横梁的第一底面的头部，所述第一竖梁的下底面与其他几字形结构的第二横梁的第四底面的头部固定或当该几字形结构作为最底层几字形结构时，与所述外部保护结构的底部内壁边缘连接；所述第二竖梁的下底面固定于所述第一横梁的第二底面的尾部；所述第二竖梁的上底面固定于所述第二横梁的第三底面的尾部；所述顶部竖梁的下底面固定于顶层几字形结构的第二横梁的第四底面的头部，所述顶部竖梁的上底面固定于所述顶部横梁的下底面的头部；所述顶部横梁向所述外部保护结构的内侧延伸与并与所述内部质量块的顶部连接，所述顶部横梁的上底面与所述内部质量块的顶部对齐。
[0011]优选地，所述超结构单元的底面为矩形，且与开口所在平面垂直的边为长边，与开口所在平面平行的边为短边；所述超结构单元以矩形底面中远离开口侧的顶点为原点，以底面过原点短边的长度方向为x轴方向，以底面中过原点长边的长度方向为y轴方向，以过原点第三条边的长度方向为z轴方向构建右手笛卡尔坐标系；所述超结构单元的厚度为H0，每个外壁面的长度为L
w
，每组相对应的内壁面与外壁面的距离均为L
t
；所述内部质量块与外部保护结构内壁面的间隙均为L
g
，所述内部质量块沿y轴方向的长度为(L
w
‑
L
t
‑
2L
g
)/2，沿z轴方向的长度为L
w
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2L
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；几字形结构中的第一竖梁、第二竖梁和顶部竖梁沿y轴和z轴的长度均为(L
w
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)/(4M+2)，几字形结构中的第一横梁及第二横梁沿y轴的长度均为(L
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)/(4M+2)。
[0012]优选地，每组相对应的内壁面与外壁面之间均具有矩形通槽，所述矩形通槽的四个面都与其外侧相邻表面形成外部保护结构壁，所述外部保护结构壁的厚度均为L
g
。
[0013]根据本申请的第二方面，提供一种低频隔振超结构，所述低频隔振超结构包括N个如前所述超结构单元，N个超结构单元部署于平板的一侧；所述平板根据实际工况分成保护区域和振源区域，平板的保护区域以外的区域为振源区域；若所述保护区域为圆形，该保护区域外侧的圆周即为所述圆形边界；否则，将所述保护区域拟合为多边形，确定所述保护区域的能够覆盖点集S的最小覆盖圆，其中，点集S为保护区域拟合后的多边形的顶点的集合，该最小覆盖圆的圆周即为所述圆形边界；所述圆形边界对应的半径为保护区域半径R；所述N个超结构单元包围所述保护区域，每个超结构单元的第二外壁面的第一短边与所述保护区域的圆形边界上距离第一短边最近的点的切线平行，该第一短边为超结构单元的第二外壁面靠近开口侧的短边；每个超结构单元的第一短边到所述圆形边界圆心的距离大于或等于R；每个超结构单元第二外壁面远离开口侧的短边到所述圆形边界圆心的距离大于第一短边到所述圆形边界圆心的距离；所述N个超结构单元是N个尺寸一致的超结构单元，N>本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低频隔振超结构单元，其特征在于，所述低频隔振超结构单元，包括：外部保护结构(1)、内部质量块(2)及弯折结构(3)；所述外部保护结构(1)为凹形结构且有开口的一侧竖直放置；所述内部质量块(2)及弯折结构(3)配置于由所述外部保护结构(1)的三个内壁及开口限定的腔体内；所述外部保护结构(1)的外壁有三个面，每个外壁面均有一个内壁面与之对应，外壁的相互平行的两个面分别为第一外壁面、第二外壁面，所述外部保护结构(1)且有开口的一侧竖直放置时，所述第一外壁面为上壁面，所述第二外壁面为下壁面；与第一外壁面、第二外壁面垂直的外壁面为第三外壁面；所述内部质量块(2)配置于所述外部保护结构(1)靠近竖直内壁的一侧，所述内部质量块(2)在其顶部靠近凹形结构开口一侧与所述弯折结构(3)连接；所述弯折结构(3)配置于外部保护结构(1)靠近开口的一侧，所述弯折结构(3)包括沿竖向拼接的M个几字形结构(18)、顶部竖梁(12)及顶部横梁(13)，M＞1；所述几字形结构(18)由尺寸相同的第一竖梁(8)、第二竖梁(9)，以及尺寸相同的第一横梁(10)、第二横梁(11)组成，所述第一横梁(10)、第二横梁(11)的两端分别为头部和尾部，其中靠近凹形结构开口侧的一端为头部；所述第一横梁(10)位于所述第二横梁(11)的下方，第一横梁(10)与第二横梁(11)的两端面平齐；第一横梁(10)与第二横梁(11)均为等截面直梁，截面为矩形；所述第一横梁(10)具有水平方向的第一底面(14)及第二底面(15)，所述第二横梁(11)具有水平方向的第三底面(16)及第四底面(17)，所述第一底面(14)、第二底面(15)、第三底面(16)、第四底面(17)彼此平行；所述第一竖梁(8)的上底面固定于所述第一横梁(10)的第一底面(14)的头部，所述第一竖梁(8)的下底面与其他几字形结构的第二横梁的第四底面(17)的头部固定或当该几字形结构作为最底层几字形结构时，与所述外部保护结构(1)的底部内壁边缘连接；所述第二竖梁(9)的下底面固定于所述第一横梁(10)的第一底面(15)的尾部；所述第二竖梁(9)的上底面固定于所述第二横梁(11)的第三底面(16)的尾部；所述顶部竖梁(12)的下底面固定于顶层几字形结构的第二横梁(11)的第四底面(17)的头部，所述顶部竖梁(12)的上底面固定于所述顶部横梁(13)的下底面的头部；所述顶部横梁(13)向所述外部保护结构(1)的内侧延伸与并与所述内部质量块(2)的顶部连接，所述顶部横梁(13)的上底面与所述内部质量块(2)的顶部对齐。2.如权利要求1所述的低频隔振超结构单元，其特征在于，所述超结构单元(5)的底面为矩形，且与开口所在平面垂直的边为长边，与开口所在平面平行的边为短边；所述超结构单元(5)以矩形底面中远离开口侧的顶点为原点，以底面过原点短边的长度方向为x轴方向，以底面中过原点长边的长度方向为y轴方向，以过原点第三条边的长度方向为z轴方向构建右手笛卡尔坐标系；所述超结构单元(5)的厚度为H0，每个外壁面的长度为L
w
，每组相对应的内壁面与外壁面的距离均为L
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；所述内部质量块(2)与外部保护结构(1)内壁面的间隙均为L
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，所述内部质量块(2)沿y轴方向的长度为(L
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；几字形结构中的第一竖梁、第二竖梁和顶部竖梁沿y轴和z轴的长度均为(L
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)/(4M+2)，几字形结构(18)中的第一横梁及第二横梁沿y轴的长度均为(L
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)/2，沿z轴的长度为(L
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)/(4M+2)。3.如权利要求1
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2中任一项所述的低频隔振超结构单元，其特征在于，每组相对应的内
壁面与外壁面之间均具有矩形通槽，所述矩形通槽的四个面都与其外侧相邻表面形成外部保护结构壁，所述外部保护结构壁的厚度均为L
g
。4.一种低频隔振超结构，其特征在于，所述低频隔振超结构包括N个如权利要求1
‑
3中任一项所述超结构单元(5)，N个超结构单元(5)部署于平板(4)的一侧；所述平板(4)根据实际工况分成保护区域(6)和振源区域(7)，平板(4)的保护区域(6)以外的区域为振源区域(7)；若所述保护区域(6)为圆形，该保护区域外侧的圆周即为所述圆形边界；否则，将所述保护区域拟合为多边形，确定所述保护区域(6)的能够覆盖点集S的最小覆盖圆，其中，点集S为保护区域(6)拟合后的多边形的顶点的集合，该最小覆盖圆的圆周即为所述圆形边界；所述圆形边界对应的半径为保护区域半径R；所述N个超结构单元包围所述保护区域(6)，每个超结构单元(5)的第二外壁面的第一短边与所述保护区域(6)的圆形边界上距离第一短边最近的点的切线平行，该第一短边为超结构单元的第二外壁面靠近开口侧的短边；每个超结构单元(5)的第一短边到所述圆形边界圆心的距离大于或等于R；每个超结构单元(5)第二外壁面远离开口侧的短边到所述圆形边界圆心的距离大于第一短边到所述圆形边界圆心的距离；所述N个超结构单元(5)是N个尺寸一致的超结构单元，N>1。5.如权利要求4所述的低频隔振超结构，其特征在于，在保护区域(6)周围排列N个超结构单元(5)后，所述N个超结构单元(5)在所述平板(4)形成圆形封闭区域，所述封闭区域由超结构单元(5)中外部保护结构(1)的第二外壁面的中心沿逆时针或顺时针方向的连线组成，其中连线为圆弧；保护区域半径R小于封闭区域的半径R
m
。6.如权利要求5所述的低频隔振超结构，其特征在于，以保护区域圆形边界的圆心为极点，取任意方向为极轴构建平面极坐标系，每个超结构单元(5)位置由底面中心点进行表示，所述超结构单元(5)的位置由R
m
和θ
i

【专利技术属性】
技术研发人员：周浩，刘咏泉，张云浩，张啸雨，谭沧海，曾惠忠，李林凌，杨建中，柴洪友，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：