Разработка и создание виброзащиты ракетно-космических конструкций с использованием магнитореологического и новых механомагнитожидкостных эффектов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

На правах рукописи.

Для служебного пользования.

Экз. й .Ю

САВОСТЬЯНОВ Алексей Михайлович

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ВИБРОЗАЩЙГЫ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКОГО И НОВЫХ МЕХАНОМАГНИТОГОКОСТНЫХ ЭФИКТОВ.

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры; 2. 05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1991

/

Работа выполнена в научно-производственном объединении им. С. А. Лавочкина.

Официальные оппоненты - доктор фи .ко-математических

наук

Галкин М.С. ;

доктор технических наук, профессор

Цуриков О. А.;

доктор физико-математических наук, профессор Веселаго В.Г.

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский

институт машиностроения.

Защита состоится . 1995 г. в^. . часов на за-

седании Специализированного совета Д 053.15.08 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адре су: г. Москва, 2-я Бауманская, д.5.

С диссертацией можно огчакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан ". . ." . . . . 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета Дубинин В.!

Ботдясано к печати Зак. 196 Объом 2,0 п.л. Тир. 100 вкз. JO.CG.05 г.

"йлодасЁя МГТУ ля. Н.Э. Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы виброзащиты (ВЗ) ракетно-космических конструкций (РКК) обусловлена необходимостью разработки эффективной защиты баллистических ракет (БР) шахтного базирования от стартовых воздействий и ядерных взрывов (ЯВ), а также созданием ВЗ больших космических конструкций (БКК). г">двергаемых нагружени-ям в невесомости, то есть при полётах с малыми ускорениями'.

Теория виброзащиты механических конструкций получила свое развитие в работах Ананьева И. В., Белявского Н.Г.. Болотина В. Р.. Генкина М.Д., Горелика A.M.. ГрибоЕ- М.М.. Григолюка Э.И.. Елисеева С. В.. Жукова А.П.. йванина В.Я.. Ишлинского А. Ю.. Кармишина A.B.. Коловского'й.3., Колесникова К.С., Микишева Г.Н.. Нкколаен-ко H.A., Образцова И.Ф., Пановко Я.Г.. Перфильева Ю.П., Феодось-ева в.И., Фролова К.В.. Фурмана Ф.А., Явлинского В.В. и других авторов в нашей стране; Ашли X.', "Джонса Д.. Кроули Э., Лазана Б., Мирса М.. Нашифа А.. Ревала С., Стекеля Ж., Сунга С.. Томпсона Б., Ханагуда С.. Хедерсоиа Дж., Хчбарда Да.. Хугада Н. и других авторов за рубежом.

Появление магнитных жидкостей (МЖ) открыло новые возможности для разработок и создания ВЗ РКК, усилило, тем самым, интерес к теоретическим и экспериментальным исследованиям, в приложении к ВЗ конструкций, известного магнитореологического и новых механо-магнитожидкостных эффектов, применение которых в ВЗ позволяет не только снижать ударно-вибрацизнные воздействия, но и количественно регистрировать их величины.

В диссертации решается проблема разработки и создания ВЗ РКК. Для BP - разработки ВЗ. способной регистрировать без подведения энергопитания время приходов ЯВ, а чакже снижать до приемлемых значений, функционируя в пассивном или управляемом режимах, характеристики сейсмостартовых возмущений, когда максимальные усилия на входе составляют Ю7 Н и ^ыше. Для БКК - создания ВЗ. циссипирующей энергию механических колебаний в области низких частот (1...3 Гц) и малых амплитуд (Ю"5..Л(Гг м) при силовых зозмущениях от долей до нескольких ньютонов.

Цель работы состоит:

в разработках программно-методических материалов математи-1еского моделирования и проведении теоретических, а также экспе-жментальных исследований по определению реальных характеристик

I

высоко- и низкосиловой пространственной динамики РКК, соответственно. при ЯВ, стартовых воздействиях и возмущениях в невесомости;

в выявлении диссипативных, элек'., омагнитных и других свойств магнитных жидкостей, полезных в применении для виброзащиты РКК;

? исследованиях, связанных с разработкой и созданием образцов кагннтожидкостных устройств регистрации и защиты земных конструкций от сейсмовозмущений;

в создании систем магнитожидкостной виброзащиты больших космических конструкций.

Научная новизна работы состоит в следующем: разработана методика расчёта пространственных нелинейных колебаний БР и конструкций пневмогидравлической ВЗ при старте,единичных. а также многократных воздействиях ЯВ;

проведено сравнение расчетных параметров динамики БР и конструкций ВЗ с экспериментальными замерами, получена сходимость анализируемых параметров в пределах максимальных погрешностей систем измерений;

полуены количественные характеристики пространственных колебаний БР в зависимости от силового нагружения последних пневмогидравлической ВЗ при стартах, а также при ЯВ, когда ВЗ функционирует в штатных и нештатных (аварийных) режимах;

разработаны алгоритмы и программы расчёта, позволяющие получить вероятностные характеристики выходных координат механических систем при случайных многоразовых пространственных нагружениях;

проведены исследования динамики технологического оборудования и БКК при возмущениях, характерных для невесомости, получены расчетные и экспериментальнче параметры низкочастотных колебаний БКК и микровозмущений, действующих на прецизионную аппаратуру;

разработаны методы расчета магнитореологи ,еских виброизоляторов для о; эедедения их демпфирующих, амплитудно-частотных характеристик в зависимости от изменений магнитного поля; .

установлено явление наведения электрических сигналов МЖ при ударных и вибрационных (б области до 100 Гц) механических возмущениях;

выявлен эффект, выражающийся в существенном уменьшении перегрузок на виброизолируемой массе при импульсной "накачке" маг-нитореолог'ческого виброизолятора постоянными токами определенной частота;

установлен эффект диссипации энергии механических колебаний ограниченными объемами МЖ, находящейся в замкнутом, пространстве и в магнитном поле постоянного магнита;

разработаны методики математического моделирования внутренней динамики новых (магнитогидкостного типа) гасителей колебаний;

проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению влияний размеров и материалов "чрпусов, а также под- ' ложек, впзкостей и объемов заправок МЖ на динамические характеристики магнитошдкостных рчброгасителей (МЖВГ);

получены результаты стендовых испытаний по опоеделению "э-рактеристик МЖВГ, а также полунатур :ых экспериментальных исследований систем виброзащиты с использованием МЖВГ на реальных БКК.

Практическая ценность и ' внедрение результатов. Полученные результаты, предложенные методики расчета динамики РКК, устройств и систем пневмогидравлических и магнитожидкостных ВЗ. выявленные эффекты МЖ, алгоритмы и вычислительные программы, а также экспериментальные методики использованы при разработках и создании конкретных конструкций ВЗ и могут нчйти дальнейшее применение при проведении проектировочных и поверочных расчетов ВЗ РКК, выполненных с применением традиционных материалов и МЖ.

Внедрение результатов диссертационной работы осуществлялось: разработанная методика расчёта пространственных нелинейных колебаний БР и конструкций пневмогидравлической ВЗ при старте, единичных, а .акже многократных воздействиях ЯВ внедрена на предприятии п/я Г-4632 и испочьзовалась при проектировании систем ВЗ (амортизации): CA-15У95. 15У124, 15У153;

установленное явление наведения электрических сигналов МЖ при механических возмущениях использовалось Центральным научно-исследовательским институтом им.В. А. К> .еренко при разработках сейсмометров сильных движений, сопровождающих землетрясения, и в АТОММАШе - при проектировании сейсмозащиты атомных реакторов;

эффект диссипации энергии механических колебаний ограниченными объемами МЖ, находящимися в замкнутом пространстве- и в магнитном поле постоянного магнита, был использован при разработках и создании магнитожидкостной ВЗ БКК в НПО им. С. А. Лавочкина и внедрен на космических аппаратах последних разработок;

результаты диссертационной работы защищены 16-ю авторскими свидетельствами на изобретения, пять из которых внедрены: одно -на CA 15У153 и четыре - на БКК НПО им. С. а. Лавочкина.

Апробация и публикации. Основные результаты работы доложены на научных чтениях, конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе:

на ХХ1Х-ых чтениях, посвященных ..азработке научного наследия и развития идей К.Э. Циолковского, Калуга. 1994 г.;

кя 15-ых и 17-ых Гагаринских чтениях по космонавтике и авиации, ' Москва, 1985, 1987 гг.:

на 3-ей и 4-ой Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям, Иваново. 1983, 1985 гг.;

на 6-ой Международной конференции по магнитным жидкостям, Париж, ¿0Л.24 июля 1992 г.:

в Институте Механики МГУ. Москва, 19В9, 1991...93 гг.; в Институте физических прикладных проблем. Москва. 1992... 93гг.;

в Московском Государственном Техническом Университете им, Н.Э. Бг/лша. Москва, 1991... 94 гг.;

в Военной инженерно-космической академии им. А.Ф.Можайского, . С.-Петербург, 1989... 93гг. ;

в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения, г. Калининград. Моск. обл.. 1990... 93 гг.;

в Московском авиационном институте.1984.. 87гг., 1990... 93гг.; в Институте космических исследований. Москва. 1991...94 гг.; в Научно-производственном объединении "Энергия",г.Калининград, Моск. обл., 1992... 94 гг.;

в Институте металлургии им. А.А. Байкова, Москва.1991... 94гг. в Научно-производственном объединении им. С.А. Лавочкина, г.Химки. Моск. обл., 1988...94 гг.

Образцы магнитожидкостнчх гасителей колебаний и виброизоляторов, созданных в НПО им. С.А.Лавочкина при непосредственном участии автора, экспонировались в Политехническом музее г.Москвы в период с 14 апреля по 15 мая 1992 г. на выставке-смотре предприятий космической и авиационной техники.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в одной книге, в 23 статьях, в двух научно-технических отчетах, имеющих Государственные регистрационные номера, и в учебных пособиях.

Структура и обьём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, приложения, выводов и заключения. Список литературы включает "268 наименований. Общий объем работы - 371 стр.. 98 -рисунков и 8 таблиц. Ч

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во. введении даётся формулировка проблемы и цели выполненного исследования, приводятся характеристики его актуальности. новизны и практической ценности. Работа в целок квалифицируется как результат исследования, в котором осуществлено теоретическое обобщение и решение научной проучены развития теоретических основ, подкрепленных результатами экспериментов, разработки и создания виброзаидат" (ВЗ) ракетно-космических конструкций (РКК) с использованием магнитореологического и новых механомг.г-нитножидкостных эффектов, имеющего важное нарочохозяйственное и оборонное значение. ' .

В первой главе для обоснования необходимости применения новых технологий при разработках ВЗ РКК представлены теоретические и экспериментальные исследования динамики двух классов РКК: баллистических ракет (БР) шахтного базирования, воспринимающих нагрузки от ядерных взрывов (ЯВ) и стартовых воздействий, а также больших космических конструкций (БКЧ), подвергаемых, как правило, низкосиловой динамике нагруже.чий в невесомости.

Раньше динамический анализ РКК проводился с использованием двух основных подходов: модели эквивалентной балки и расчётных методов Релея-Ритца, стодола или Бубнова-Галеркина; модели с сосредоточенными массами, связанными эквивалентными пружинами.

Эти подходи чрезвычайно точны, так как первые РКК могли быть аппроксимированы длинными цилиндрами или балками, а частоты были очень высокими и сильно не связанными с нагрузками и управлением. Когда проблемы стали более сложными, начали использовать комбинации конечноэлементных моделей и моделей эквивалентных балок или сосредоточенных масс, при этом веб большее внимание уделялось ко-нечнозлементным моделям.

При проектировании ракетных комплексов шахтного базирования, исходя из существовавших представлений о физически/ процессах движений грунтов и шахтных сооружений (ШС) лри ЯВ. силами ведущих институтов и проектных организаций были созданы плоские расчетные модели систем "БР. - контейнер (KP) - ВЗ - ШС" во многом адекватно описывающие процессы динамического взаимодействия конструций шахтных пусковых установок (ШПУ) при сейомостартовых возмущениях.

Однако, ввиду, того, что данные расчетные модели создавались исходя из допущений о возможности раздельного рассмотрения двике-

5 .

ний конструкций ШПУ в горизонтальном и продельном направлениях, а экспериментально были обнаружены эффекты пространственных нелинейных колебаний конструкций, возникла необходимость оценки влияния этих факторов на общую динамику движений конструкций ШПУ при сейсмостартовых воздействиях.

Влервые движение взаимосвязанной системы твердых тел конструкций ВЗ БР было рассмотрено автором [I] при исследовании дина-, мики амортизируемых БР и элементов пневмогидравлической амортизации на действие ЯВ, когда БР и КР были представлены единым, твердым телом, имеющим шесть степеней свободы, а система ВЗ рассматривалась как совокупность конечных чисел пространственных тел (25. ..40), соединённых между собой связями, наделенными упругими, а при описании виброизоляторов (ВИ) и демпфирующими свойствами. Модели многочисленных механизмов: торсионных, пантог-рафных, ры-чажно-маятниковых и других были составлены на основе пространственных расчетных схем с учетом жесткостных характеристик конструкций и трений в узлах соединений элементов механизмов. Внешнее ' нагружение системы задавалось кинематическими параметрами движения ШС в узлах его контакта с ВЗ 12].

Исследованиям динамики пространственного движения амортизируемых БР и элементов конструкций систем амортизации при ЯВ посвящены работы автора, опубликованные до 1980 года [I - ^ , в . которых хоигэйнэр я ракета рассматриваются как единое тело»

В дальнейшем для исследований особенностей |стартовой динамики ВР с внутренней, между БР и КР, опорнокольцевой ВЗ и внешней, между КР и ШС, пневмогидравлической ВЗ [5.] проведено усовершенствование методики' расчёта пространственных нелинейных колебаний конструкций ШПУ [131-

Математической моделью БР служила система подвижных прост-. ранственн х тел; наделённых массово-инерционными, жесткостными. геометрическими характеристиками, с линейными и нелинейными связями между собой, а также конструкционным демпфированием. Одна из схем размещения опорнокольцевой ВЗ и необходимые для исследований сейсмо- и стартовой динамики БР иллюстрации систем отсчёта приведены на рис. 1.

Для описания углового движения элементов системы использовано векторное представление углов [ гз ] ч>х ,фу . ф2 в декартовой системе к ординат ОХУг. Введены вспомогательные углы: К - прецессии: г|) _ нутации: ^ ~ Углы уходов исследуемых точек 1 из фикси- . ■ б

рованных начальных поперечных сечений; р1 - углы начальной ориентации исследуемых точек, лежащие в соответствующих поперечных сечениях, относительно оси абсцисс; ае - текущие углы' ориентация (в плоскостях поперечных сечений) линий экстремальных сближений обшивок тел или их частей.

Рис. 1. К исследованиям сейсмо- и стартовой динамики БР

Вспомогательные углы и их производные ■ ычисляются из выражений:

- К = (фхг + фуг)1/г, П)

( агсз1п (фу/*) Е (фу>0,ф„>0), V (ф„<0,фх>0), ^ = { (2)

|я-агсз1п (фу/ц) е (ф,)0.ч>х<0) V (<ру<0,фх<0).

El = Y 'COSÍ т|) - + (JE/2) + ipj ), ,

О (2я) E (Дх^О, Лу=0); я/2 E (Дх=0. Ду>0);

it =

(4)

Л . Е (Лх<0, Ду=0); З/аг (Дх=0, Ду<0);

агч^Ду/Дх) Е (Дх>0,-Лу>0) V ;Дх>0, Ду<0); .

Я + агс1н(Ду/Дх) Е (&х>0, Ду>0) V (Лх>0, Ду<0).

где Дх = хг - хк; Ду « уг > - ук: хР, хК. уг. у* - перемещения по соотвествующим координатам центров сечений ракеты - г и КР -к. в которых находятся исследуемые точки.

У = (ФхФх + фуфу 1>(ФхФу - ФуФх

t - К sin tip - <fe)] + (i(i - Ф2)У cos tip - Ф2)3, л = (Фхг + Фу* + ФхФх + фуфу - . '

Ц|' = [фхфу - ФуФх - 2ljl + ФуФ,.)]/\г.

С = { [.К2 («РхФх + фуфу) + (ФхФу - ФуФх)гЗ/У3) Sin [1(1-- (Pi+ 4>г)] + (NI - <fz) COS (1¡) - Ч>2)] - (1¡) - <p2)2 X

X Sin tl)l - (Pi+ 4>zH > + 2Ц (1|)'- ф2) COS tljl -(j3t + <p2)K

Уравнения движения системы подвижных тел имели вид: •

(5)

(6) (7) ,(8) (9)

IVflx = б°

• -

Хк бокх

Ук ; 60к= боку

¿к бокг

. к = О,1,2.,.

(Ю)

(И)

где тк - массы конструкций;' йк - векторы скоростей центров масс конструкций; бок - векторы моментов количеств движений конструкций относительно их центров масс; Нк, Мк - главные.векторы и главные моменты сил, действующих на конструкции.

Уравнения кинематических связей, например, для виброизолято-

ров и уплотнений, лежащих в продольной плоскости, проходящей через линию экстремальных сближений обшивок БР и КР имели вид:

Кк.1 - ; в.кСП + Кк!. о

- + к\. где [<! =

V

У1 Ух

. V

К\ =

К»,-

7к

ь о 1

1- Л*

Р О 1

г Э^СОВ^ СОБ^СОЗЖ 1

з1пУ31П1р1 С05£131ПМ 1 СОЭК -31П£[

г*о1{ [С^К - йРу)/*2! ЭШК + (фу/Ю^СОБГ }-~Р*о1 (¿121пс1созге'+- эесоз£1 э1пзе),

-2ко,{ С(«РЛ - У<Рх)/К23 эту + (<РХ/Т)^037 }-

~Рко1 (¿1 з1пс! з1пае - ЖСОЕ!^ СОБЖ) , - рко!¿!собс!.

(12)

(13)

(14),

Учитывая, что Кц, }-Кг. 4=5. где |5| - расстояние между обшивками, решая, получали экстремальные значения расстояний между обшивками на интересуемых уровнях расположения ВЗ.

Эпюры относительных перемещений обшивок по контурам сечений вычислялись при замене угла ае на углы начальной ориентации р. взятые с необходимым интервалом в области [0.2ж], а также вводя соответствующие углы е.

Описанию силовых связей ч моделированию характеристик виброизоляторов (амортизаторов) при создании методики расчёта уделено особое внимание. В работе приведено математическое описание силового нагружения БР, КР '(рис.1), подвесок и. механизмов, нашедших применение в существующих и вновь проектир.змых системах ЬЗ.

Подробно описаны характеристики амортизаторов пневмогидрав-лич'еского типа, основным рабочим компонентом в которых является масло АМГ-10, применяемое также для изготовления разновидностей магнитных жидкостей.

Уравнении силовых связей подвижных тел системы "БР-ВИ-КР-ВЗ-ШС" были представлены в виде:

Мк =М,а+

I Н+и 1.

где в правой части векторы сил и моментов, действующих на трукции в узлах контакта виброизоляторов с телами.

Разработанные математические модели и программы расчета

У

'15) конс-

на

ЭВМ, в основу которых положен описанный метод, нашли применение при теоретическом обосновании выбора проектных параметров традиционных опорнокольцевых виброизоляторов БР внутри КР и пневиогид-равлаческих виброизоляторов КР от шс. а также при обработке экспериментальных данных.

_ В результате сравнений расчетных параметров динамики БР и конструкций ВЗ, вычисленных с применением изложенной методики с экспериментальными замерами натурных испытаний БР и ВЗ на действия ЯВ и стартовых возмущений получена сходимость анализируемых параметров в пределах максимальных погрешностей систем измерений Это позволило провести исследования динамики конструкций ШЛУ в режимах, ранее не подлежащих детальному математическому анализу {51 и определить предельные возможности пассивной пневмогвдрав-лической ВЗ ( 6 ]: угловых движений БР. КР и элементов ВЗ т• динамики конструкций при нештатном функционировании элементов вз: динамики конструкций при многократных, разнесенных по направлениям и времени приходов, воздействий ЯВ (3 1: стартовой пространственной динамики БР. КР и ВЗ [133.

Из рчсчетов стартовой динамики БР (рис.2.) и вычисления азимутальных разворотов БР относительно ШС при ЯВ (рис. 3.). видно что БР. оснащенные пневмогидравлической ВЗ, совершают нелинейные пространственные колебания и что, диссипируя энергию первых ударных импульсов ЯВ, система ВЗ, в ограниченное приходом следующего воздействия ЯВ время, полностью не стабилизирует БР. что влияет на показатели защищённости БР в ШУ.

'II ч V

£ / |

. \ 0,5 У ь/ п

\ 7 С у>

г}! - -

\ к

Рис. 2.

Составляющие силовых реакций в одном из поясов опорнокольцевой ВЗ БР и угол перемещения по периметру БР контактно-силовой зоны при старте

; 0.05 0,01

( -а.<>< •т

-6Ш

-М

-ы

\ 1

ь 1 -ъ 1 1 Л \ 7

\1 И 1 \ 1 1 г / * ч/ 2.0

у

л.

г 1

Рис. 3. Азимутальные развороты БР относительно ц!С при ЯВ

Основной вывод из проведенных исследований следующий: применяемые сегодня пассивные неуправляемые средства ВЗ, нашедшие широкое применение в ракетной технике, имеют ограничения по диссипации энергии механических возмущений, заложенные в основных принципах функционирования таких систем (накопление, поглощение и рассеивание энергии возмущающих воздействий). Для решения этой проблемы необходим поиск принципиально новых решений [7,13.163.

Специфика формирования исходных данных для ВЗ БКК состоит в том. что в зависимости от требований, предъявляемых к проведению технологических операций самой БКК (рис.4) и уровней вибраций внутри неё, за основу берутся различной сложности математические модели динамики БКК 1231.

■ Моделирование динамики БКК с учётом диссипативных свойств предлагается вести следующим образом [193.

Ввиду того, что диссипативные силы в БКК возникают, как пра- 1 вило, лишь при упругих колебаниях системы, то демпфирование в модели БКК, вводится по тонам упругих колеба: !й подконструкций. Для ' каждого тона колебаний конструкций диссипативная составляющая обобщенной силы определяется выражением:

= - Ч • ч " 2 ■ 5, • (16)

где сг - коэффициент затухания по 1-му тону колебаний; -1-я обобщенная скорость; 5! - декремент по 1-му тону колебаний; v, - частота 1-го тона колебаний в Гц.

'•• . Введение членов такого вида в уравнения осцилляторов эквивалентно приложению к исследуемой подконструкции диссипатизной си-

Рис. 4. Большая космическая конструкция

лы. К бесконечно малому объему рассматриваемого тела будет приложено воздействие вида:

- - «1 • I-! (х.у.2) • р! (х,у,г) • ч*!, (17)

где (х.у.2) - форма колебаний конструкции по 1-му тону; р!гх. у. г) - плотность материала.

' Приложив эту диссипативную силу к известной системе:

[М)ЛХ"} +

О О О О О [К]

(X) » Ш + (Рс) + {?<„}.

(18)

где [К] - матрица жесткости подконструкции; [К] = [й1аз(ш21)]. а о)! - круговая частота по 1-му тому колебаний; - вектор внешних сил и моментов, действующих на подконструкцию: (Бс) -вектор сил и моментов реакций связей, действующих на подконструкцию со стороны смежных с ней подконструкций; (Ре1) - вектор дис-сипативных аил. пока рав.-й нулю, и проведя интегрирование по объему тела, вычислив обобщенные силы и перенеся полученные члены в левую час гь уравнений, получим уравнения движения подконструкции с учетом внутреннего рассеяния энергии, где присутствуют члены, определяющие диссипативные свойства подконструкции: ■

0 .0 СОа] к 0 0 0

[М]К{Х")+ 0 0 [Шз]к (Х'} + 0 0 0

0 0 1Ш к 0 0 [К]

Ш = {Р} + {Ес},

где матрицы [0а]к и ШЬ]К размерности 3 х п. 12

та],

(19)

[е, х

\

au3. [Da]k = [ej -bn], i =x,y,z; 3=1..'. ..n. n - число учитываемых форм упругих перемещений к-й под-конструкции; аи. Ь13 - коэффициенты присоединенной массы и момента соответствующих Д-му тону колебаний; [D]ц - матрица размерности п х п. [D]k = [diag(et)].

С использованием ме~одик, основанных на данном подходе, в НПО им. С.А. Лавочкина выявлено, что для рационального демпфирования колебаний солнечных батарей (СБ) одной из БКК,когда логарифмические декременты 5с • колебаний составляли 0.05... 0.07ед.', необходимо создать гасители для наиболее энергоемких частот колебаний (1... 3 Гц) и установить их в местах пучностей форм колебаний (рис. 5). Причём,основные трудности были связаны с демпфированием малых амплитуд колебаний (10-4..Л0"г м).

Методы подавления вибраций, связанные с задействованием исполнительных органов системы управления (СУ), не дали должного эффекта и возникла проблема, связанная с созданием ВЗ БКК,способной гасить механические колебания в области низких частот и малых амплитуд при слабых силовых возмущениях. Таким образом, проблема разработки и создания ВЗ для РКК быЛа обусловлена: для БР - с повышением характеристик защищенности от ЯВ и стартовых воздействий: для БКК - с необходимостью

2,39 Гц

Рис.5. Первые пять форм колебаний панелей СБ

обеспечения их стабилизации и крпектации на opCirt, а-так.-.и с повышением ресурсов жизнедеятельности космических станций.

Во второй главе проведен анализ существующих средств »: направлений по ссвериенствованию ВЗ PKK ,7 ,9 .11.121.

Классификация средств ВЗ, отличительней особеьяостью крторс$: являет:я использование в перспективных устройствах н систем?: БЗ сравнительно новых материалов и эффектов, выявленных в последам десятилетия, позволяющих приступить к разработкам более совершенной ВЗ для БР шахтного базирования и к созданий ВЗ БКК, приведена на рис. 6. Зчесь римскими ■ . — .

[ СРСДСТРД ЁИбРОЭ^ийТЦ }

|7п| Антиамме j

1 ЦрОИЛО^лИ, поOK { fDKB^fl . ürrll-P-ijLl Виве. ои дол к г ©•> w

И-IV 1 ■ ■ (Me т cviHuscKne f»-4 Г м Поажина, Си/Ч^ом

(1. Iituirto»w еысо- 1 jl, Ii' Ц-Ц—¡кого | -1 ; i -4 1 ' I 1 * ! Стеохми, ¿ОАНЫ, СЧОбИ h-!V tTwtExyigxPHH- I }

1, ¡¡¡-Пл^й» ¡»rwu»- Спардек j! I ?-1vl 3/Ч.к трогиа» j 1 looe/ivwecKve *

I, 1X| Голипе»*», j # 2f ctoiw Тросы е^П«« i

1/ Ц I Пемопопи»«»*— г, той 1 11-1V | Пм«»ионсханиЧ f 3, 4J«ecK>,._ |

т г. (НЕЭИМОЬЫЕ , °сонномОРДо - ^огиитооеол)- 12-V' {лическив j

1 -IV jПьвзоалекгоо-2-4 }кер««ииеск^е Нагнитоиелои- сациоммме ¡MVjriHbfcnaa/ieK- | i 13,4 ¡тоичсские |

№ Кот ии тас TpfX [ ll-tv 1Элекгро<к»о- | j 13.4 |нимесиие {

prlVJ М<згпи*НЫЕ (Ст4 1 i \i'iv 1 К-* КОГМИТСЛЫкМ-TOUWOMWUC { бгьМЗлсктРомггу { j ji-4 |лир»с«м« j

|l-IV |Иагнитож'«а-|2-4 Ikoctmuc 1 ll-IV 1 гг Магнитссо««- j 1

h-ivjlto ОСИО»Е 1J-4 Г® Pt,00°p0u,<0 IIS* Гг!о '¿смоле (»Eooortor меги 1 IUliMMar**,TOC*et>x-l 1 iTh"«"»« 1

цифрами обозначена принадлежность средств ВЗ к пассивным (I). неуправляемым (II). .активным (III) 1! управляемым CIV) видам; арабскими методы виброзащиты. Основное содержа- ■ ние классификации составляют мате, малы, устройства и эффекты, лежащие в основе создания средств ВЗ. с известными и прогнозируемыми направлениями их использования при различных принципах действия и методах виброзащиты. которые указаны, соответственно. в числителях и знаменателях выносных столбцов.

•Одним 13 важных на- Рис.6. Классификация средств ВЗ правлений, связанным- с

применением новых технологий при модернизации существующих ВЗ БР шахтного базирования, является поиск материалов и формирование принципов, обеспечивающих снижение внешних механических воздействий и регистрацию возмущений. Так как жидкости, например, масло АМГ-10. являются основным рабочим материалом в существующих пнев,-могидравл ческих системах ВЗ БР. " то при анализе, существующих средств -ВЗ первостепенное-внимание было уделено жидкостям., 14

Третья глава посвящена разработкам средств виброзациты ракетно-космических конструкций с использованием магнитореологичес-кого .?гУ)екта (МРЭ) магнитных жидкостей [7 - 12] .

Основными регулирующими органами магьитожидкостных виброизо-ляторсз (ККВК) - исполнительных устройств магнитокидкосткых г «с-том ВЗ, являются магнитореологлчесние дроссели (МРД). КРД в оОзен случае представляет собой гидравлический канал, расположенный з ¡г.'дутсрз магнитного поля, напряженность которого изменяется в cooTSSTcrjmi с электрическим сигналом в обмотке управления ( II,. 12].

Пр I разработке катаяореолошческих исполнительных устройств R3, когда был необходим анализ медленных движений и можно было пренебречь вязким трением в МЛ, рассматривая ее как идеальную жидкость, для получения зависимости между давлением р и скоростьп У, применялось уравнение Бернулли ;

1 но

- pV" + pgh + р - / М dH const, (20)

2 о

где р - плотность магнитной, жидкости; g - ускорение силы тяжести; п - высота над поверхностью Земли; Н0- напряженность магнитного поля в исследуемой точке; И - намагниченность МЖ.

Анализ гидродинамики ME с учетом вязкого трения проводился с применением уравнения Навье-Стокса, которое для МЖ лмеет вид-.

ci Vt BP 3 е - Знл

Р dt c?xt 11 3;<j 3>;j * J 3x; 1

Здесь V[ - проекция пектора скорости V магнитной жидкости на ось Х[; т) - сдвиговая вязкость И; - составляющая М намагниченности ЯЯ; F[ - проекция на ось xt внешней силы F. которая от-■ дичается от магнитной силы, действующей на КЖ. Например, сила тя-жсстн выражается как Ft = (.0. 0.-pg). если ось х3 направлена верти'-кально вверх.

При высокоскоростных (более 0 25 м/с) течениях м:к, как показали результаты экспериментальных проверок ¡."1Л для определение исходных площадей, например, круглых поперечных сечении дросс ;ь-иых отверстий МКБН пориневэго типа (рис. 7,3) применима расчетная зависимость:

Рис.7. Поршневой МРД с одиии Рис.8. Поршневой МРД с двумя дроссельным отверстием дроссельными отверстиями

f = Гд [£ р / 2 kr (Н) ]1/2 при Н = Const. (22)

где х (Вцг-Ц/)/4 - площадь демпфирования. D, и D, - диаметры цилиндра и штока, к которому крепится поршень; t - коэффициент гидравлического сопротивления, который для оценочных расчетов принимается равным 2 ед.; р - плотность жидкости-носителя; kr(Н) - коэффициент пропорциональности, так называемый коэффициент демпфирования, Н - напряженность внешнего магнитного поля.

При этом коэффициент демпфирования, в силу допущений о неразрывности потока жидкости, вычисляется из формулы;

4 Р Рд3

kr (Н) ---- . (23)

2f

а демпфирующая составляющая усилия МЖВЙ, - из выражения:

йд = kr U2. , (24)

где U • скорость движения поршня относительно/цилиндра. Испытания макетного образца ИВИ с МРД поршневого типа (рис.7), заправленного МК с эффективной вязкостью 28 Па -с и намагниченностью насыщения в 320 кА/м, на синусоидальные возмущения с экстремальными амплитудами до 0.02 м и частотами колебаний в 0.0°.15 Гц подтвердили перспективность разработок этого типа МЖВЙ. На рис.9 представлены диаграммы нагружений МЖВИ при отсутствии напряжения на обмотке дросселя (1) и "при напряжении в 2В (2).

Из сопоставления диаграмм видно, что гидравлическое еопро-16 •

тивление МРД МЖВИ при подаче напряжения увеличивается практически в два раза.

Результаты проведенных испытаний по влиянию магнитного поля на сопротивление МКВИ показаны I \ графике (рис.10). При,этом *по оси абсцисс отлолсены значения тока в обмотке МРД. а по оси ординат - сопротивление ШВИ.

51» ,1600 1500 Р.Н

1500 1000 500

1. А

Рис.9. Рабочие диаграммы МИВИ Рис. 10. Силовая характеристика при напряжениях в солс- МЖВИ в зависимости от

ноиде: 1-0 В: 2- 2 В тока в МРД

Из анализа этих характеристик следует, что рассматриваемая зависимость нелинейная. При малом токе имеет место нарастание сопротивления, увеличение его после 0.04 А практически не изменяет сопротивления на МЖВИ. тогда как допустимый ток обмотки МРД 0.3 А. Изменение диапазона регулирования характеристик МРД достигается подбором МИ и изменениями в конструкции МЖВИ [12 j.

' Для математического описания динамически;, характеристик МРД. расчитанных на низкосилое ;е нагружения и малые скорости течения е них МЖ. • был проведен поиск моделей, обеспечивающих достаточную для практических целей точность ГII]

Рассматривалось движение электропроводящей вязкой МЖ, на ко-торуй действует внешнее магнитное поле. Электрический ток проводимости, возникающий при движении жидкости в магнитном поле, и магнитные моменты частиц магнитного материала обуславливали механическое воздействие на МЖ со стороны внешнего магнитного поля и изменяли само поле. Для описания дянных пооцессов использовались системы уравнений Навье-Стокса и уравнений Максвелла (12].

Максимальная демпфирующая сила определялась из выражения:

Рд = Но -а-Ю'^-Ь-Гяр-У/Ь (25)

где1, Ь, 1дР - геометрические параметры дросселя; X, г( - физические характеристики МЖ; Н0 - напряженность внешнего магнитного поля, создаваемого обмоткой дросселя; V - скорость течения К?..-

Анализ результатов^ расчетов показывал, что максимальная демпфирующая сила в дросселе с электропроводной Мй в исследуемом диапазоне скоростей является линейной функцией напряжённости Н0 внеаь^то магнитного поля и скорости течения [12.} .

Для разработки основных принципов конструктивного исполнения были изготовлены десять моделей ИРД поршневого типа, на которых проведены экспериментальные исследования (рис. 11).

Рис. 11. Модели ыршневых ИРД с различными конфигурациями каналов и дроссельных элементов в виде кассет

Для исследований применялись три типа МЛ: на основе поллэ-тилсилаксана (ПЭС-5), керосина и. масла АМГ-10. Характеристики !■;.'?. приведены в табл. 1.'

Таблица !.

Характеристики магнитных жидкостей

Номер Жидкость-носитель Магнитный материал частиц Диаметр частиц а - 10"10м Объемная концентрация <?%' Намагниченность насыщения - • Ма кА/к Динамическая вязкость 11 ис/м2

1 ПЭС-5 Магнетит 100 7.8 22. . .23 о ° ^ 1

Керосин Келезо 100 8 40. . .45 С. 1

АМГ-10 . Железо Р-10 4 -104. . . 8 " 104 10 ' 80. . . 100 ! 0

«i .î S были лпбезно предоставлены автору "Ьгновскнм энергетическим институтом. ИЯ ИЗ представляет собой MPC, производства института тепло- и массообкена им. А. В. Лыкова Академии наук Белорусски.

3 результате- исследований было теоретически и экспериментально показано, что в f'.'ï при изменении внесшего магнитного поля происходят качественные изменения вязкостных характеристик гид-кости. проявлжжеся в количественных изменениях де'.-пфггрук'злх усилий, ракБвваемнх КШ. Все это послужило подтверждением вс",-щ.иости использования 1Я в вз РК.Ч.

В связи с тем, что в 80-х годах данные по ^лиянии внешнего маптчтяого поля на дннамлческле характеристики едстанцжшо уп-рэзляеяих НЗЕИ практически отсутствовали, автором были провеши экспериментальные исследования по выявлению влияния магнитно! о-поля на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) !'НЕИ 18- .

Целью экспериментов являлось: подтверждение эффективности использования .'.ЯВИ в активной системе Еиброзавдты; обоснование' теоретических выводов и подтверждение достоверности выражений для расчетов дин1 .ичеекпх характеристик дросселей; разработка"требований и рекомендаций по проектирован!!» компактных конструкций ИЖВИ с учётом экспериментальных данных.

Эффективность применения ЧНВИ оценивалась по АЧХ (рис. 12). учитывая,что для колебательной системы, обладающей одной степенью свободы (одномерного осциллятора), коэффициент передачи ускорений от подвижного основания на виброизолируемый объект определяется выражением: ' -

' р = /l / [ 1 + lz-(iz-2)/(l+is-f)}. (2d)

где l=l(H)=f/fc (H) и ijmjj(H) - соответственно относительная частота и коэффициент демпфирования колебаний как функции напряжённости внешнего поля.

сВиброиспытаниям подвергалась физическая модель поршневого НЕЕИ с магнитореологическим дросселем. Управление осуществлялось включением, выключением и варьированием напряжённости И магнитного поля в.гидроканалах дросселя. Рабочим телом ШКВИ слушав ная суспензия карбонильного железа в масле АМГ-Ю.

Анализ, результатов экспериментальных исследований показал, что использование управляемых МЖБй повышает эффективность Еибро-

19

1 \

J щ \

\ ""Va SäSS

yr /,/ i,. A» //£■

,Рис. 12. Амплитудно-частотные хара. геристики МЖВИ

защиты. Так, включение магнитного поля в дорезонансной и резонансной зонах и выключение .в зарезонансной зоне позволяло в интервале скоростей штока 0.1... 1.5 м/с уменьшть перегрузки на 30%. При этом функция спектральной плотности ускорений в максимуме уменьшалась с 2.5 раза.

Регулирование внешним магнитным полем позволяет гасить колебания различной начальной амплитуды до заданного уровня, а также выбирать нужную форму АЧХ МЖВИ в зависимое..! от входных механических нагрузок на объект виброизоляции.

Итогом этой части исследований.следует считать создание математических моделей и программ

расчетов внутренней динамики МШИ. ' изготовление и проведение испытаний различных моделей МЖВИ с использованием'магнитореологи-ческого эффекта МЯ [8], являющихся неотъемлемой часть» разработки ВЗ РКК. - '

В четвертой главе дается описание нового механомагнитожид-костного эффекте, выявленного автором, прие-.лемого для разработки и создания средств регистрации сейсмических воздействий, воспринимаемых .ШПУ, оснащённых БР. при ЯВ и землетрясениях (Н, 16,181-

• Эффект наведения ЗДС индукции и электрического тока ненамаг-ничешыми и предварительно намагниченными МЖ и MPC в индукторе ИВИ сильфонного типа (рис. 13) был обнаружен при действии на виброизолятор ударных импульсов коскнуооидальной формы с длительностями 0.01....0.02 с. когда максимальные амплитуды перегрузок на впброязоляруемой массе (ВИЩ составляли от Ю до 25 ед. Наведение злектрического тока в индукторе МЖВИ было зафиксировано при сбросах системы '"КВИ-ВИ;, на ударном стенде К-400 (рис.14)..

Конструкция МШ1 сильфонного типа включала корпус 1 с осевым каналом 2, соленоидным' индуктором 3, ■охватывающим корпус 1 и соединенным с системой управления 4, с закрепленными по торцам корпуса 1 сильфонами 5, нижний из которых являлся компенсационным. Полости связаны осевым' каналом 2 и заполнены МЖ и MPC. Вдоль оси .корпуса 1 над индуктором 3, между корпусом 1 и сильфонами 5,-расположены два 6,7 коаксильных цилиндоа, из которых внутренний 6 -' 2J

сплошной, с кольцевым зазором 3, ограниченным сверху и снизу шайбами 9, 10 и разделенными радиальной перегородкой 11, при этом з верхней шайбе 9 выполнено отверстие 12, по одну сторону перегородки И, а во внутреннем цилиндре 7 радиальный канал 13', по другую сторону перегородки И, соединяющей кольцевой зазор 8 с осевым каналом 2.

Корпус 1 скреплен с основанием, а верхний сильфон 5 - с виб-роизолируемой массой (8ИМ). При внешних механических возмущениях, прикладываемых к корпусу !-ЯВИ под влиянием инерционных сил. поступающих от 8ИМ, верхний, а затем и нижний сильфоны соответственно сжимаются и разжимаются (разжимаются я сжимаются), обуславливая переток рабочей жидкости ч^рез каналы дросселирования.

Виброизолируемые массы, используемые в опытах, составляли 5. 10 и 15 кг.

В качестве рабочих тел МЖВИ были применены MPC Р-10, харак теричтикй которой приведены в табл. 1, и ME ММт-43. Жидкость ММт-43 - коллоид железа в трансформаторном масле с намагниченностью насыщения 43 кА/м при объёмной концентрации магнитной ^ззи 8,5%. Эта жидкость'разработана в Белорусской политехнической университете.

Ударный стенд (рис.14) вкличач ударную установку !...!0.

\

контрольно-измерительную аппаратуру 13, .пульт управления 11,12.

Зависимость гбсолютных перегрузок ВИМ.-и тока, индуцируемого в МЖВИ. заправленного МЖ, от времени представлена на рис.15. Ток, наводимый в индукторе МЖВИ, при сбросах достигал 0.5... 0.6 мА.

Было обнаружено, что осциллограммам тока, наводимого в индукторе МЖВИ, по частоте и форме соответствует ускорение движения Ш внутри МЖВИ. Описанное явление впоследствие обнаруживалось и на других устройствах, рабочим телом в которых служили МЖ или MPC, например, при виброиспытаниях МЖВИ, заправленного MPC (рис.16).

Рис.

15. Зависимости параметров МЖВИ с МЖ (1- абсолютная перегрузка, 2-ток в индукторе) от времени

«Sri» зКш&Я,

Pkj. 16. Испытания МЖВИ на вибростенде

Расчетная модель магнитожидкостного акселерометра представлена на рис. 17, где их - абсолютное перемещение земли или основа-

Рис. п. Расчётная модель .магнитожидкостного акселерометра 22

Система дифференциальных уравнений движений элементов акселерометра имела вид:

га, xi - с,5, - C363 + mjS + - R,3.

(27)

Шг Х2 = сг5г + с353 + ад + Rs2 + Кдэ.

где mj - присоединенная масса акселерометра: ш2 - масса нижнего сильфона и столба жидкости; х, - абсолютное перемещение присоединенной массы; х2 - абсолютное перемещение нижнего сильфона со столбом жидкости; Cj и сг, с3 - жёсткости верхнего и нижнего сильфонов, газовой подушки; ôt и 52, б3 - перемещения присоединенной массы и нижнего горца компенсационного (нижнего) сильфона относительно корпуса, перемещение присоединенной массы относительно нижнего торца компенсационного сильфона; йд1 и Ria , Р,д3 -демпфирующие составляющие верхнего и нижнего контуров дросселирования, а также демпфирующая составляющая продольного канала дросселя, g - гравитационное ускорение.

Демпфирующие составляющие реакций акселерометра на внешние возмущения в зависимости от предполагаемого вида течения №К в каналах дросселя определялись по следующим зависимостям:

Пд1 = signai К, V - sign <Si) kj б,(28)

• где ôt - относительные, скорости движений соответствующих масс

(1=1,2,3). kt - коэффициенты демпфирования соответственно верхнего, нижнего контуров дросселя и его продольного канала.

Таким образом', разработанные ранее методики расчёта пчевмо- . гидравлических виброизоляторов [5,10.20,22] оказалась приемлемыми для получения параметров динамики магнитожидкостных акселерометров на.

Зарегистрированный эффект открывает новые возможности пс практическому его использованию при создании средств регистрации ЯВ, исключая питание этих систем до прихода первых возмущений, так как ток, наводимый в индукторе (0.4...0.6 мА). вполне достаточен для включения аппаратуры регистрации воздействий [14) ■

В пятой главе приведено описание известного в ферромагнетиках мех.' чизма магнитомеханической оелаксации (1ДОР) и результаты лсследований по впервые выявленному автором подобного эффекта в MPC, а также приведёны рекомендации по направлениям использования

этого Эффекта в ВЗ РКК (15.17.10].

В ферромагнетиках одним из проявлений ММР является наблюдаемое различие между значениями модулей упругости Е, измеряемыми динамическими методами, при сохранении постоянными напряженности внешнего магнитного поля (Ен) и намагниченности (Ем) [151:

(Ем - Ен) / Ен = К2, (29)

где к - коэффициент магнитомеханической связи.

W4P в ферромагнетиках относят к универсальным механизмам внутреннего рассеяния энергии внешнего механического возмущения,-Возникновение ММР в ферромагнетиках обменяют изменением их доменной структуры под действием механических напряжений, которое приводит к появлению дополнительной neynpyi-й деформации и, следовательно! к зависимости, упругости материала от магнитного поля H (или намагниченного вещества М).

Для исследований, связанных с выявлением эффектов ММР в MPC при одновременных воздействиях внешних механических и магнитных возмущений, была использована установка копрового типа, конструкция МЖВИ была так й же. как в опытах по выявлению магнитодвижущих сил при деформациях MPC и МЖ без подключения внешнего магнитного поля (рис. 13): характеристики MPC Р-10 - рабочего материала МЖВИ, приведена в табл. 1; для формирования внешнего магнитного поля был использован источник постоянного тс.-са, а также возбудитель тока [15).

Форма импульсов, генерируемых возбудителем тока, представлена на рис. 18. Маш.лальные амплитуды тока достигали 2 А. а частоты генерации импульсов лежали в диапазоне 11... 19 Гц.Замеры получены при еле-, дуюш-.х вариантах нагруженпй системы "ВММ - ИКВИ" и её характеристиках: сброс с высс.ы 80 км на ВИИ. которой служила каретка массой 11.5 покоившаяся на МЖВИ. каретки - пуза массой 11.5 кг, которая после удара подхватывалась рези--новыми шлангами; сброс с высоты 8мм на металлическую тумбу системы массой 30 кг. состоящей из МЖВИ. двух кареток и крепежа кареток к :зви.

При опытах первого варианта нагрукения на ВИМ - каретке, жестко связанной с верхним сильфоном МЖВИ, при ударах были зафик-

Г"

Г;

il

4 1

L -J

П'Г I I" I Т * — ^«OlMW'^t r.f-jfMM.li'»»»'' 11 «ля W

Рис. 18. Форма импульсов возбудителя ток?

I

сированы следующие экспериментальные перегрузки:' -25. +15 ед. -при обесточенном индукторе; -5 . +4 ед. - при постоянном токе 2 А в индукторе; -1.5 , +1.3 ед, - при импульсных токах. Частотный спектр вибраций, замеренных на ~®М, лекал в диапазоне 100...125 Гц. Время затухания вибрационных процессов составляло 0.164 с при обесточенном-индукторе. 0.1 с при токе в индукторе 2А и 0.056 с при импульсных токах с максимальными амплитудами в 2А и частотами генерации импульсов в диапазоне 11...14 Гц.

Для второго варианта нагружения, когда система МЖВИ с двумя каретками сбрасывалась с высоты 8 мм, характер изменения динами-, ческих реакций системы на внешние возмущения сохранился.

Изменением реологических характеристик MPC при рассматриваемой энергетике ударных воздействий (1.5. ..9 Дж) более эффективного снижения перегрузок на ВИМ, чем при токах 1.5 ...2 А, достигнуть не удалось. Однако именно при этих токах, но в импульсных режимах, было получено максимальное снижение механических воздействий на ВИМ. С точки зрения реологических моделей этот эффект трудно объяснить, поэтому он назван релаксационным, что представляется вполне оправданным, так как основные характеристики релаксации (снижение величин амплитуд колебаний ВИМ и уменьшение времени успокоения системы после ударного воздействия) в этом режиме функционирования МЖВИ выявлялись наиболее чётко [133. Это объяснимо и с теоретической точки зрения и вполне согласуется с результатами ранее проведенных исследований 1141.

Из этого следует, что магнитные жидкости обладают-демпфирующей. способностью не только протекая в каналах дросселей МЖВИ, но и совершая колебания в замкнутых объёмах, находясь под вл"янием изменяемого во времени магнитило поля 112,17,21]. ; ;

Таким образом, в результате исследований' выявлены, магнитоме-ханические релаксационные эффекты, которые позволяют по-новому учидеть процессы структуирования намагничивающихся дисперсны?' сред и их релаксационные особенности. Область практического использования эффектов ММР распространяется на разработки систем ■ сейсмозащиты БР и виброзащиты БКК, устройств стыковки космических . аппаратов, а также виброизоляции технологического оборудования БР и БКК Î20J"-

В шестой главе представлены теоретические и экспериментальные исследования по впервые предложенному автором использованию демпфирующих свойств.МК. колеблющихся в магнитном поле постоянных

магнитов (ПМ,, для создания магнитожидкостных виброгасителей (МЖВГ) выносных конструкций космических аппаратов (Г"Д.

Основываясь на использовании эффекта самолевитации ПМ в МЖ и свойстве МЖ проявлять ДС, совершая колебания в магнитном поле ПМ, автором предложена конструкция МЖВГ с цилиндрической формой корпуса, внутри которого располагался цилиндрический ПМ с осевой на-магниченостью, обволоченный МЖ I 17,16,21 ] (рис.19).

С целью проведения дальнейшего анализа эффективности устройства. представленного на схеме (рис.19), была построена динамическая модель системы, включающая МЖВГ. Элементы этой модели представлены на рис. 20.

х» АЛ/

// // /

Рис. 19. Схе.-.а эффекта самолевитации ПМ

Рис.20. К математической модпи МЖВГ

Система уравнений, описывающая движение динамической модели, была представлена в виде:

Их, - Г1р + кх» - ГВ! ТО Х2 + Гтр + Гвэ = О.

о.

(30)

(31)

' Принципиальное различие между уравнениями (30) и (31) заключаете I в отсутствии во втором уравнении слагаемого типа "Кх".

Сила вязкого трения пропорциональна скорости сдвига при течении жидкости, то еи-ть пропорциональна скорости движения массы ш относительно корпуса гасителя и "вписывалась- в виде:

И й

( X) - х2),

(32)

тр

где ц - динамическая вязкость жидкости; Б - площадь поверхности трения; Г> - величина зазора между ПМ и корпусом, (х , -

х 2) - относительная скорость-движения ПМ и объекта.

В уравнениях (30) и (31) имеется сила Г вэ, которая возвращает ПМ с МЖ в положение равновесия. Эта сила возникает из-за маг-нитостатического давления, действующего в МЖ при наложении магнитного поля, которое зависит от величины зазора 5 между МЖ и стенкой корпуса. Магнитостатическое давление, действующее на стенку корпуса, приближенно вычислялось из зависимости: '

где д,, - магнитная проницаемость вакуума; М - намагниченность ИЖ; Н - напряженность магнитного поля.

Колебания динамической системы с МЯВГ (рис.20., исследовались численном методом Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага.

Коэффициент жесткости " к" подбирало« с использованием ' известного выражения: . • Г (2Я)"1 о = (2ЯГ1 (k/М )1/г. где К = 4ягГгМ (34) и принимался равным к = 40 Н/м, что обеспечивало собственную частоту колебаний объекта, близкую к одному герцу. I

Для анализа внутренней динамики ЮКВГ и определения влияния размеров кор; /сов, вязкости кагнитной жидкости, объемов её заправок и оценок влияний материалов корпусов я вкладышей, изготовленных из ферро-. пара- , диамагнетиков. на характеристики виброгасителей были проведены теоретические и экспериментальные исследования опытных образцов МЖВГ {17].

В результате исследований созданы образцы МЖВГ (рис.21), максимальные значения логарифмических декрементов 5 ' колебаний, балочных алюминиевых конструкций достигали 0.2...0.42 (без МЖВГ- 0.01... 0.012). Экспериментально получены собственные характеристики МЖВГ (рис. 22).

р - А, И • Н (5)

(33)

Рис. 22. Зависимость Ьтновения силы демпфирования к ускорению ' МЖВ1' от частоты 27

3 О Г. ГЦ

Рис. 21. Общий вид МЖВГ

Проведена тесретическая оценка и получены первые результаты, свидетельствующие о пригодности МЖВГ для снижений уровней микровозмущений.

В седьмой главе уделено внимание задачам и решениям, связанным с внедрением МКВГ [19,20] на БКК: расчетной оценке и испытаниям термовакуумной защиты виброгасителей, радиационным испытаниям, оценке магнитного влияния виброгасителей на аппаратуру БКК, натурным испытаниям неуправляемой магяктожидкостной ВЗ БКК. . .

Общий вид сборки панелей солнечных батарей (СБ) с 14-ю М11ВГ представлен на рис. 23.

давг

Рис. 23. Общий вид сборки СБ о 14-о КЖВГ

Сравнением зависимостей логарифмических декрементов от амплитуд колебаний в среднеквадра-тических значениях (с.к.з.) по первому (рис.24) и второму (рис. 25) тонам колебаний панелей СБ, оснащенных .к ссовым,. имитаторами (ИИ) и МЖВГ, иллюстрируется эффективность !чКВЗ БКК.

В приложении приведена программа моделирования на ЭЦВМ сейсмостартовои пространственной динамики БР. КР и ВЗ.

?г>

Рис. 24. Зависимость логарифмического декремента от • амплитуд колебаний по первому тону

Рис. 25. Зависимость логари^ми-. ческого декремента от амплитуд колебаний по второму тону

При реализации решений проблемных задач разработки и создания виброзащиты РКК с использованием магнитореологического и новых механомагнитожидкостных эффектов были получены следующие выводы:

1. Для обоснования применения новых технологий при разработках ВЗ РКК представлены теоретические и экспериментальные исследования динамики двух классов РКК: БР шахтного базирования, подвергаемых сейсмическим от ЯВ и стартовым воздействиям; -БКК - получаемых возмущения в невесомости.

2. Предложены, разработанные автором, методика, алгоритмы и программы расчета пространственных нелинейных колебаний БР и конструкций пневмогидравлической ВЗ. основным рабочим телом в которых служило масло АМГ-tû - основная составляющая разновидности МЖ (MPC), при ЯВ и стартах; проведено сравнение параметров динамики конструкций, определяемых в результате натурных экспериментов и расчета. Получена сходимость в пределах максимальных погрешностей системы измерений сравниваемых параметров.

3. Проведены исследования динамики БР и БКК и получены количественные х£. актеристики па; -.метров нелинейных пространственных колебаний конструкций, подтверждающих необходимость разработки новых средств ВЗ БР для повышения их защищенности от ЯВ и создания ВЗ для БКК.

9. Анализом существующих средств ВЗ установлена тенденция, направленная на применение в них новых, адаптивных к механическим возмущениям, материалов, которые могут быть использованы как для регистрации динамических параметров, так и для диссипации энергии внешних и внутренних механических воздействий: сплавов высокого демпфирования, пьезозлектрокегамики. злектрорэологических и магнитных жидкостей. Однаю, работы по перечисленным направлениям, как правило, находятся в стадии лабораторных исследований.

5. При разработках ВЗ РКК с использованием магнитореологического эффекта магнитных жидкостей для низкосиловой динамики нагружений конструкций создана методика и проведены расчёты внутренней динамики магнитожидкостных виброизоляторов, определены их демпфирующие характеристики, проведены стендовые испытания и получены результаты по влиянию магнитного поля на амплитудно-частотные характеристики виброизолируемчх систем, изготовлены конструкции магнитореологических дросселей и МлВИ. Для удзрноспловых нагрузок, характеризуемых импульсами длительностью по 0.03 с. и

перегрузками „о 20 ед., разработаны и созданы образцы дросселей и МКВИ, по результатам испытаний которых подтверждена возможность их использования а ВЗ.

6. Установлено явление наведения электрических сигналов немагнитными и предварительно находящимися в магнитном поле при ударных и вибрационных (в области до 100 Гц) механических возмущениях.

' ,. Выявлен эффект магнитомеханической релаксации в магнито-реологической суспензии, выражающийся в существенном уменьшении (на поряяок и более) перегрузок на виброизолируемой массе при импульсной 'Пакачке" МЖВИ постоянными электрическими токами определённой частоты.

8. Разработаны методики расчета и проведены теоретические исследования по выявлению эффекта диссипации эн .-»гии упругих механических колебаний ограниченными объемами МЖ. находящимися в замкнутом пространстве И'В магнитном поле постоянного магнита, получено экспериментальное доказательство существования эффекта.

9. Созданы ".агнитожидкостные ыброгасители (МЖВГ) низкочастотных упругих колебаний механических конструкций, разработаны методики "атематическо;о моделирования внутренней динамики М^ВГ, проведено экспериментальное определение влияний размеров и мате. » риалов корпусов, а также подложек, вязкости л объемов заправок МЖ

на динамические характеристики МЖВГ.

10. Впервые создана пассивная магнитожидкостная ВЗ БКК.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Савостьянов A.M. К исследованию динамики пространственного движения амортизируемых объектов и элементов систем амортизации. - Рук. деп. ЦНТИ Поиск в сб. ПТО. - 1977. - N8,- 21 с.

2. Шумилов И.М.. Драгун Д.К., Савостьянов A.M./Постановка 1 задачи исследования динамики пространственного движения амортизируемых объекг. jb и элементов систем амортизации // ЦНТИ. Поиск. -1979,- Серия 3,- вып. 22/IV/. - С 37-41\

3. О применении интерполяционного , метода для исследований нелинейных динамических задач движений конструкций при многоразовых импульсных возмущениях со случайными временами приходов / Шумилов ::.:•!.. Тушев О.н., Савостьянов A.M. и др. // - Рук. деп. цнт;; поиск в сб. ото. - 1979. - мэ, - п с.

•',. Угл:еое д-;;ш;Нло амортизированных объектов пои действии

импульсных воздействия / Шумилов U.M., Савоотьяноз A.M.. Драгун Д.К. и др. // Оборонная техника. - М. - 1979. - N10. - С.31-33.

5. Савостьянов A.M. Исследования динамики пространственного движения амортизируемых объектов и элементов систем амортизации // МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Диссертация на сонск. уч. степ. канд. техн. наук. - 1980,- 220 с.

6. Аринчев C.B., Савостьянов A.M. Анализ предельных возможностей оптимальной амортизации объектов // Изв. ВУЗов. Машиностроение,- 1981,- N 11, - С.11-13.

7. О применении магнитных жидкостей в демпфирующих устройствах / Баскаков O.e.. Драгун Д.К.. Савостьянов A.M. и др. // Материалы III Всесоюзной школы-семинара по магнитным жидкостям. - !■!.

- 1983. - С. 18-19.

8. Орлов Д. В.. Савостьянов A.M., Самсонов В. Н.. Драгун Д. К. Экспериментальные исследования демпфирующих устройств на магнитных жидкостях // Магнитная гидродинамика. -1984.- ÎJ2.- С. 133-135.

9. Савостьянов A.M.. Шмырин Г.К.. Рулев C.B. Управление виброизоляторами на магнитной жидкости // Тезисы докладов IV Всесоюзной конфер( ции по магнитньм жидкостям,- Иване о. - 1985.-Т.2,

- С. 77-78.

10. Савостьянов A.M., Самсонов В.H., Рулев C.B. Экспериментальные и теоретические исследования амортизирующих устройств на основе ферромагнитной жидкости / Веб.: Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации. 1985,- М. : Наука. 1936.- С. 144.

И. Савостьянов A.M., Самсонов В. H.. Рулев С. В. Разработкам испытания амортизирующих устройств РЭА // Оборонная техника. -М. -1986. Ml, - С. 49-52.

12. Рулев C.B., Самсонов ч.Н., Савостьянсз A.M., Р'мырин Г.К. Управляемые магнитожидкос-ные виброизоляторы. - И,- 1988. - 20ос.

13. Савостьянов A.M. К выбору проектных параметроз уплотнений и виброизоляторов системы подвижных тел ЛА / В сб. Гагарине-кие научные чтения по космонавтике и авиации. 1987. -И.: Наука. 1988. -С. 80-84.

14. Савостьянов А. М.. Ермаков В. й.. Пронин М. А. Наведение электрического тока в индукторе магнитожидкостного виброизолятсра при механических воздействиях // Магнитная гидродинамика.- 1991.-N1,- С. 107-113.

15. Савостьянов A.M. Эффекты магнитомеханпческой релаксации в магнитореологической суспензии // Магнитная гидродинамика,. -

31

1992. -HI, - С. 58-54.

16. Савостьянов А. М. Обеспечение сейсмозащьты реактора IFR-300 // Энергетическое строительство. -М. -1992. -N6,-С. 13-20.

17. Савостьянов A.M. Нововыявленные механомагнитожидкостные эффекты и применение их в виброзащите БКК // Материалы научной конференции. С.-Петербург. ВИКИ им. А. Ф. Можайского. 19-24 апреля 1992. - С. 77-78.

18. Савостьянов A.M. разработка и создание виброзащиты РКК с использованием магнитореологического и новых механомагнитожид-костных эффектов // Материалы научной конференции В.А. Ф. Э. Дзержинского от 24-25 ноября 1993. - С. 132-133.

19. Савостьянов A.M.. Телепнев П.П.,, Ермаков В.D. К выбору параметров магнитожидкостаой виброэащиты больших космических конструкций // XXIX-ке чтения, посвященные рг -.работке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского. - Калуга. Доклад. -1S94. -9с.

20. Савостьянов A.M. Некоторые тенденции развития магнито-жидкостной виброзащиты ракетно-космических конструкций // ХХ1Х-ые чтения, посвященные разработке научного наследия и развитию идей К. Э. Цио; :овского. -Калуга. Доклад. -1994. -12с.

21. Savostlanov a.m., Arlnche»1 S. V.. VlkulenKov A. v.. Erma-kov V.Yu. Dynamic of Magnetic Fluid Hedgei.og In Weightlessness// Programme and Abstracts Sixth International Conference on Magnetic Fluids.- Paris. -1992. -Topic 6, P6/36. -P. 570-571.

22. Savostlanov A.M., Arlnchev S. V., Gribkov V.a. , Ermakov v.Yu. Dynamical Characteristics of Magnetic Fluid Vibration Insulator Hlth Defomable Shell Elements// Programme and Abstracts Sixth International Conference on Magnetic Fluids. -Paris. -1992. -Topic 6. P6/20. -P.538-539.

23. Savostyanov A., Manuylov Y . Shalymov S., Bajnln I. Mag-neto-Rheologlcal Suspensions Application in Bulky Space structures Oscillations Control// Programme and Abstracts Sixth International Conference on Magnetic F: ¡ids. -Paris. -1992. -Topic 6. Рб'ЗО. P. 558-559.