[發(fā)明專(zhuān)利]基于壓電復(fù)合材料的航天器抑振結(jié)構(gòu)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111597006.8
• 申請(qǐng)日: 2021-12-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114524111A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 祁瑞;王亮;金家楣;王一平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B64G1/22
• 分類(lèi)號(hào): B64G1/22
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 劉輝

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于壓電復(fù)合材料的航天器抑振結(jié)構(gòu)及方法，航天器的殼體在其一階彎振模態(tài)應(yīng)變最大位置處以及兩個(gè)二階彎振模態(tài)應(yīng)變最大位置處都周向均勻設(shè)有若干偶數(shù)個(gè)安裝凹槽；安裝凹槽均設(shè)有壓電振動(dòng)單元；壓電振動(dòng)單元包含固定蓋和壓電陶瓷片；固定蓋采用碳纖維復(fù)合材料制成，蓋在壓電陶瓷片上和航天器殼體密閉固連；壓電陶瓷片兩側(cè)通過(guò)固定蓋、航天器殼體形成串聯(lián)閉合回路；壓電陶瓷片的極化方向均朝外或均朝內(nèi)。本發(fā)明采用被動(dòng)抑振的方式控制航天器的振動(dòng)，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)航天器殼體的自身電阻性進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為熱量散出以減小振動(dòng)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電俘能領(lǐng)域和機(jī)械振動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓電復(fù)合材料的航天器抑振結(jié)構(gòu)及方法。

背景技術(shù)

航天器在發(fā)射和動(dòng)力飛行階段會(huì)經(jīng)歷極其惡劣的力學(xué)環(huán)境，須承受起飛、級(jí)間（整流罩）分離、二次點(diǎn)火、關(guān)機(jī)和入軌等操作引起的振動(dòng)、沖擊、噪聲和熱環(huán)境等載荷。航天器殼體的振動(dòng)嚴(yán)重影響著工作的效率與安全，而主動(dòng)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且控制繁瑣，傳統(tǒng)被動(dòng)控制抑振效果不佳且可靠性低。本發(fā)明通過(guò)復(fù)合材料的構(gòu)建，采用被動(dòng)抑振的方式控制航天器的振動(dòng)，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)航天器殼體的自身電阻性進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為熱而傳導(dǎo)至系統(tǒng)外。本發(fā)明利用碳纖維復(fù)合材料的抗沖擊性、耐高溫、強(qiáng)耐磨性等優(yōu)勢(shì)和壓電材料的響應(yīng)快、不受電磁和輻射干擾等優(yōu)勢(shì)，使得本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，適用于航天器等領(lǐng)域，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種基于壓電復(fù)合材料的航天器抑振結(jié)構(gòu)及方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

基于壓電復(fù)合材料的航天器抑振結(jié)構(gòu)，航天器的殼體成圓筒狀，航天器抑振結(jié)構(gòu)包含2n+4m個(gè)壓電振動(dòng)單元，n、m均為大于等于1的自然數(shù)；

所述航天器的殼體在其一階彎振模態(tài)應(yīng)變最大位置處周向均勻設(shè)有2n個(gè)安裝凹槽，在其兩個(gè)二階彎振模態(tài)應(yīng)變最大位置處均周向均勻設(shè)有2m個(gè)安裝凹槽；

所述2n+4m個(gè)壓電振動(dòng)單元一一對(duì)應(yīng)設(shè)置在所述航天器殼體的2n+4m個(gè)安裝凹槽內(nèi)，均包含固定蓋和壓電陶瓷片，其中，所述壓電陶瓷片為壓電材料PZT的片狀結(jié)構(gòu)、沿其厚度方向極化，壓電陶瓷片的下端面通過(guò)固定在其對(duì)應(yīng)安裝凹槽的底壁上、和航天器殼體電氣相連；所述固定蓋采用碳纖維復(fù)合材料制成，蓋在壓電陶瓷片上且在其對(duì)應(yīng)安裝凹槽處和航天器殼體密閉固連；所述固定蓋和壓電陶瓷片、航天器殼體均電氣相連，使得壓電陶瓷片兩側(cè)通過(guò)固定蓋、航天器殼體形成串聯(lián)閉合回路；所述2n+4m個(gè)壓電振動(dòng)單元中壓電陶瓷片的極化方向均朝外或均朝內(nèi)。

作為本發(fā)明基于壓電復(fù)合材料的航天器抑振結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述壓電振動(dòng)單元中的壓電陶瓷片通過(guò)導(dǎo)電膠固定在其對(duì)應(yīng)安裝凹槽的底壁上、和航天器殼體電氣相連。

作為本發(fā)明基于壓電復(fù)合材料的航天器抑振結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述壓電振動(dòng)單元中固定蓋的纖維方向?yàn)閱蜗虻摹⑵叫杏诤教炱鞯妮S線(xiàn)。

航天器的殼體在其一階彎振模態(tài)應(yīng)變最大位置處在其軸長(zhǎng)1/2處，兩個(gè)二階彎振模態(tài)應(yīng)變最大位置處分別在其軸長(zhǎng)1/4、3/4處。

壓電陶瓷片尺寸稍小于其對(duì)應(yīng)的安裝凹槽，壓電陶瓷片通過(guò)導(dǎo)電膠粘貼或嵌入其對(duì)應(yīng)的安裝凹槽內(nèi)；壓電陶瓷片在厚度方向產(chǎn)生形變時(shí)，發(fā)生正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)，在壓電陶瓷片的內(nèi)外表面出現(xiàn)電壓變化，進(jìn)而產(chǎn)生電場(chǎng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并且電能通過(guò)航天器殼體的自身電阻性進(jìn)行耗散，之后以熱能形式散出。