基于双稳定压电结构的准零刚度压电阻尼卫星隔振系统机理研究

Micro-vibration restricts the development of satellite platforms with high pointing accuracy and stability. This project studies the quasi-zero-stiffness piezoelectric damping vibration isolation system for satellites. This project establishes the whole-frequency and high efficient micro-vibration isolation system based on bi-stable piezoelectric composite laminates, by exploiting their nonlinear characteristics and piezoelectric damping characteristics. The project studies the quasi-zero-stiffness characteristics and the electro-mechanical coupling of bi-stable piezoelectric composite laminates, establishes the nonlinear electro-mechanical coupling dynamic model. Meanwhile, this project analyzes the nonlinear dynamics of the vibration isolation system and conducts the parameter study. A positive vibration isolation system and a passive vibration isolation system will be established, and the corresponding transmissibility will be predicted. The stiffness characteristics and piezoelectric damping characteristics of vibration isolation systems will be optimized based on theoretical analysis. By employing the on-orbit data of micro-vibration, this project will testify the proposed vibration isolation system. This project will increase the knowledge of exploiting quasi-zero-stiffness and piezoelectric damping mechanism simultaneously for whole-frequency and high efficient vibration isolation, and provide theoretical foundation for constructing high-performance satellite vibration isolation system.

微振动干扰正逐渐成为制约高指向精度和稳定度卫星平台发展的瓶颈。本项目以卫星微振动隔离为背景，以准零刚度压电阻尼隔振系统为研究内容。本项目基于双稳定压电复合材料层合板，结合其非线性特性及压电阻尼特性，构建能够实现全频段隔振的高效微振动隔振系统。本项目对双稳定压电复合材料层合板的准零刚度特性和力电耦合效应进行分析，基于哈密顿原理建立非线性力电耦合动力学模型，分析准零刚度压电阻尼隔振系统的非线性动力学响应，并对系统的参数敏感性进行研究。项目将构建积极隔振和消极隔振系统，预测隔振系统的传递效率并进行评价，通过理论分析结果对隔振系统的整体刚度和压电阻尼特性进行优化。以卫星在轨实测微振动数据为激励源，对准零刚度压电阻尼隔振系统的振动衰减性能进行验证。研究成果将有助于对结合准零刚度结构和压电阻尼技术而实现全频段高效隔振机理的认识，为构建卫星用高性能隔振设备提供有力的理论依据。

当前对地观测卫星呈现出高精度、高分辨率的发展趋势，对星上敏感载荷的在轨微振动控制要求越来越高。出于可靠性考虑，被动隔振技术依然是目前工程领域的主要选择。面对微振动幅值低、频带宽的特点，传统的弹簧-阻尼线性被动隔振系统在低频隔振上显示出了一定的局限性。准零刚度隔振器具有“高静刚度，低动刚度”特性，在保证发射段静态位移小的同时可以有效应对在轨段的宽频微振动环境。压电材料具有微振动敏感性，利用其正压电效应可以实现振动阻尼控制。.项目基于双稳定复合材料层合板的负刚度特性并结合压电分流阻尼技术，提出了一种紧凑型准零刚度隔振器，为敏感载荷的微振动控制设备研制提供了新的思路。.项目将双稳定复合材料层合板与线性弹簧串、并联组合设计出了准零刚度隔振器。采用Hamilton原理结合Rayleigh-Ritz法推导了系统的静力学与动力学模型，并对其力学特性进行了理论研究。结果显示提出的准零刚度隔振器能够通过串、并联弹簧的刚度匹配实现静刚度调节，并且能够降低相同正刚度线性隔振系统的起始隔振频率和共振峰值。通过刚度实验和隔振实验对理论分析进行了验证，但是系统的隔振性能会因为刚度误差和装配误差出现一定程度的下降。.采用拓展的Hamilton原理推导了压电悬臂梁的机电耦合模型，研究了电阻型压电分流阻尼系统的被动振动控制性能。结果显示分流电路存在一最优负载可使振动控制效果最佳，同时能够输出较大的电功率。在结构阻尼较小的情况下，采用较大尺寸的压电片可以提高电阻型压电分流电路的阻尼效应。.提出了基于压电悬臂梁的分流阻尼系统，将其与准零刚度隔振器结合，推导了准零刚度压电分流阻尼隔振系统的机电耦合模型。分析了系统的响应特性和阻尼效应。结果显示在分流电路负载电阻最优的情况下，通过对压电悬臂梁的结构与材料进行优化，或者在分流电路中串联负电容，产生的阻尼效应可以使系统的共振放大倍数降到50%以下。最后，通过压电分流阻尼振动控制实验验证了对准零刚度隔振器的共振抑制效果。