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基于功能梯度材料的减隔振结构动力学分析与优化设计.pdf

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

航天器精密红外相机制冷机的微振动抑制长期以来都是航天领域的难点问题,

尤其对于隔振器可安装空间较小的红外相机制冷机而言,由于隔振器尺寸的限制,

其微振动抑制更加难以解决,给隔振系统的设计带来较大困难。功能梯度材料具有

能够确保应力分布平稳过渡、增加不同材料界面的结合强度等特点,已应用于机械

工程、土木工程及航空航天等诸多领域。本文的主要研究内容为面向红外相机制冷

机,基于功能梯度材料,进行被动隔振器设计,通过探究功能梯度材料参数等对结

构动力学响应的影响规律,实现功能梯度梁隔振系统设计与优化。

首先对轴向功能梯度Euler-Bernoulli梁进行了动力学建模,通过动力学方程的

数值解与有限元方法进行对比,验证了所建立模型的正确性。基于振型叠加法,求

解了受迫振动的带有末端质量的轴向材料梯度梁的位移响应,验证了通过改变材

料梯度指数、横截面尺寸等功能梯度梁的材料特性参数可实现对功能梯度梁位移

响应的精准调控,对功能梯度材料隔振器原理的可行性进行了推导与验证。

探究了功能梯度梁截面尺寸、材料梯度指数、质量点安装位置和弹簧刚度以及

弹簧安装点位置等设计变量对功能梯度梁隔振器系统模态以及位移响应的影响,

得到设计变量对功能梯度梁位移传递率的影响规律。

以各个设计变量对功能梯度梁位移传递率的影响规律为基础,应用基于模拟

退火的粒子群算法,以隔振器的隔振效果为目标,以材料梯度指数、梁截面宽度和

高度、弹簧刚度四个参数作为优化变量,以得到的参数影响规律设置约束条件,进

行了优化设计。最后将使隔振效果最优的参数组合推广至整个隔振装置,结果表明

有无弹簧工况下,隔振器的隔振效果均良好,且相较于无弹簧工况,有弹簧工况下

隔振系统有更大的静刚度,承载能力更强。

本文基于功能梯度梁的隔振原理,分析了梁参数对功能梯度梁位移传递率影

响即隔振器隔振效果影响,所得结果可为航天精密仪器的微振动被动隔振设计提

供新的思路与方法。

关键词:隔振;功能梯度材料;功能梯度梁;粒子群优化算法

-I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Micro-vibrationsuppressionofspacecraftprecisioninfraredcameracoolershaslong

beenadifficultproblemintheaerospacefield,especiallyforinfraredcameracoolerswith

smallinstallationspaceforvibrationisolators,whichismoredifficulttosolveduetothe

limitationofvibrationisolatorsize,andbringsgreaterdifficultiestothedesignof

vibrationisolationsystems.Functionalgradientmaterialshavebeenappliedinmany

fieldssuchasmechanicalengineering,civilengineeringandaerospacebecauseoftheir

abilitytoensuresmoothtransitionofstressdistributionandincreasethebondingstrength

ofdifferentmaterialinterfaces.Themainresearchofthispaperistodesignapassive

vibrationisolatorbasedonfunctionalgradientmaterialsforinfraredcameracooler,and

todesignand

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