本發(fā)明屬于航天結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體的涉及一種非限位的多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中用于實現(xiàn)兩個物體或結(jié)構(gòu)之間連接的方式主要有兩類：一類是采用諸如螺接、鉚接、焊接、插接/卡接、鉸接、銷軸連接等的機械連接方式；另一類是采用諸如粘接(膠接)以及熱熔連接等的化學連接方式。但是，有些航天應(yīng)用場合中的特殊物體或結(jié)構(gòu)之間，不允許采用常規(guī)的螺接或膠接等方式進行連接(例如新型結(jié)構(gòu)電池等)，而且希望連接機構(gòu)除具有常規(guī)的支撐承載功能外，還要具備其它的多種功能于一體，例如需要被連接(或被支撐)的結(jié)構(gòu)在保持連接狀態(tài)的同時，能夠發(fā)生相對運動，以達到實現(xiàn)振動能量消耗的目的，從而改善被連接結(jié)構(gòu)所處的力學環(huán)境，又或者例如在實現(xiàn)支撐與連接的同時，有效減小外界環(huán)境振動在結(jié)構(gòu)之間的傳遞，等等。

因此，急需發(fā)展一種現(xiàn)有連接方式無法實現(xiàn)的、既能支撐承載和傳遞力、又能減少振動傳遞的、而且同時還能滿足航天應(yīng)用需求的多功能彈性支撐結(jié)構(gòu)。該類支撐結(jié)構(gòu)具有多功能特征，即：除起支撐承載作用外，還能夠通過自身的彈性變形來消耗振動能量，能夠同時提供剛度和阻尼，此外還最好具有良好的絕緣、散熱性能以及良好的空間環(huán)境適應(yīng)性等，以滿足安裝一類帶電、發(fā)熱結(jié)構(gòu)等航天應(yīng)用需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種非限位的多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群，以解決現(xiàn)有技術(shù)中所用支撐結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)太空復(fù)雜的真空環(huán)境，且難以滿足在對一類航天電源結(jié)構(gòu)進行支撐的同時，實現(xiàn)減振、散熱和絕緣等多種功能的技術(shù)問題。具體技術(shù)方案如下：

一種非限位的多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群，包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、被支撐結(jié)構(gòu)和若干個粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元；所述若干個粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的一個環(huán)狀的、不連續(xù)的群組，粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元設(shè)置在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與被支撐結(jié)構(gòu)之間；所述粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元分別與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和被支撐結(jié)構(gòu)以預(yù)壓緊和面接觸的方式相連接，不存在固定約束關(guān)系；所述多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群中粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量和幾何尺寸是由被支撐結(jié)構(gòu)所需要提供的剛度和阻尼、被支撐結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的幾何邊界條件以及粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部預(yù)緊力大小來綜合確定。

進一步地，所述粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元選用彈性模量不小于2.0兆帕、泊松比小于0.47、絕緣電阻大于50兆歐、導熱系數(shù)大于0.2瓦/米·攝氏度、真空揮發(fā)度小于0.01％的材料制作而成。

進一步地，所述粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元在長度方向的尺寸L由下式進行確定：

式中，E和A分別為粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的壓縮彈性模量和橫截面面積，F(xiàn)₀為粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元在理想安裝狀態(tài)設(shè)計的預(yù)緊力大小，D為被支撐結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的垂直距離；“·”表示乘法運算符號。

所述粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元在厚度方向的尺寸H應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

H≤H₀-ν(L-D) (2)

式中，ν為粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元所用材料的泊松比，H₀為被支撐結(jié)構(gòu)的厚度。

進一步地，在水平方向(x方向)和垂直方向(y方向)上布置的粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量n分別滿足如下條件式：

式中，E、L和A分別為粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的壓縮彈性模量、長度和橫截面面積，K₀為被支撐結(jié)構(gòu)所需要提供的剛度。

進一步地，所述被支撐結(jié)構(gòu)的外包絡(luò)線為方形或圓形，所述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)包絡(luò)線為方形或圓形，所述彈性支撐結(jié)構(gòu)群的兩個面分別與被支撐結(jié)構(gòu)外側(cè)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)以面接觸的方式接觸，其形狀依據(jù)被支撐結(jié)構(gòu)的外包絡(luò)線和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)包絡(luò)線共同決定。

進一步地，所述粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元采用乙烯基封端聚二甲基硅氧烷材料制作而成。

進一步地，所述非限位的多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)，所述被支撐結(jié)構(gòu)為電源模塊。

采用本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明對被支撐結(jié)構(gòu)形成了良好、穩(wěn)固的支撐。本發(fā)明一方面可通過自身結(jié)構(gòu)材料的粘彈性效應(yīng)來吸收振動能量，另一方面還與被支撐結(jié)構(gòu)(相當于具有一定質(zhì)量的振子)一起構(gòu)成了彈簧-振子減振系統(tǒng)，通過所述結(jié)構(gòu)群幾何拓撲邊界的變化，允許被支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生相對運動，從而將外界傳來的振動能量轉(zhuǎn)化為振子動能的方式來消耗振動能量，這兩方面綜合作用的結(jié)果降低了振動在結(jié)構(gòu)中的傳遞，有效地改善了被支撐結(jié)構(gòu)的力學環(huán)境。因此，本發(fā)明提供了一種新的結(jié)構(gòu)支撐方式，其設(shè)計靈活、構(gòu)型保持和性能保持能力強，既能支撐承載和傳遞力、又能減少振動傳遞，同時還具有良好的絕緣、散熱等性能，且真空揮發(fā)度極小，耐空間高低溫循環(huán)性能好，能夠很好地滿足航天應(yīng)用及發(fā)展的新要求。本發(fā)明有效解決了結(jié)構(gòu)非限位約束支撐、減振、絕緣以及散熱等多功能一體化設(shè)計的難題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群的示意圖；

圖2是本發(fā)明所述多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群的四種應(yīng)用情形示意圖；其中，圖2(a)是應(yīng)用于方形被支撐結(jié)構(gòu)和方形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接情形；圖2(b)是應(yīng)用于圓形被支撐結(jié)構(gòu)和方形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接情形；圖2(c)是應(yīng)用于方形被支撐結(jié)構(gòu)和圓形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接情形；圖2(d)是應(yīng)用于圓形被支撐結(jié)構(gòu)和圓形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接情形；

圖3是圖2(a)所示情形的多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群的組成示意圖；

圖4是圖2(a)所示情形的多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群中一個單元的尺寸示意圖；

圖5為粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元在預(yù)緊力作用下發(fā)生的變形示意圖；

圖6是加速度傳感器的安裝位置示意圖；

圖7是x方向的加速度輸出響應(yīng)圖。

圖中標號：1為多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群，1-1為粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元，2為被支撐結(jié)構(gòu)，2-1為被支撐結(jié)構(gòu)的外包絡(luò)，3為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，3-1為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)包絡(luò)，即約束邊界；L表示其中一個粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的長度，W表示其中一個粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的寬度，H表示其中一個粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的厚度；xoy表示坐標系。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步解釋說明。

如圖1所示，本發(fā)明所述的一種非限位的多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群，包括多個粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元，所述多個粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1整體成環(huán)狀、不連續(xù)的設(shè)置在被支撐結(jié)構(gòu)2和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3之間，它用于對被支撐結(jié)構(gòu)2形成一種穩(wěn)固的支撐。所述非限位的多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群可應(yīng)用于任意不同形狀的被支撐結(jié)構(gòu)(即被支撐結(jié)構(gòu)的外包絡(luò)線為任意形狀)以及任意不同形狀的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(即基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)包絡(luò)線為任意形狀)的組合場合中，圖1給出了本發(fā)明的一般應(yīng)用示意圖。為了更好地表達本發(fā)明的應(yīng)用場合，圖2給出了四種通常的應(yīng)用情形。其中，圖2(a)是將本發(fā)明所述多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群應(yīng)用于支撐某航天用電源模塊，該電源模塊作為被支撐結(jié)構(gòu)，是一類帶電、發(fā)熱的航天結(jié)構(gòu)，除希望實現(xiàn)被有效地支撐外，還希望同時能夠?qū)崿F(xiàn)對其減振、絕緣、散熱等功能。下面，以圖2(a)所示的情形來對本發(fā)明作進一步詳細說明。

由圖2(a)可以看出，該實施例是將本發(fā)明應(yīng)用于一種方形被支撐結(jié)構(gòu)和方形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接情形，其中，方形被支撐結(jié)構(gòu)是指被支撐結(jié)構(gòu)的外包絡(luò)線為方形，方形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是指基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)包絡(luò)線為方形；被支撐結(jié)構(gòu)2的外包絡(luò)2-1以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3的內(nèi)包絡(luò)，即約束邊界3-1，共同聯(lián)合決定了本發(fā)明所述多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群的幾何拓撲構(gòu)型。顯而易見，該實施例中多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群1的幾何拓撲構(gòu)型呈一個“回”字形構(gòu)型，如圖3所示。其中，本實施例中所設(shè)計的粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1的外形呈長方體狀，它的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖4所示。

從圖2(a)還可以看出，粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1與被支撐結(jié)構(gòu)2、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3之間均是以面接觸的方式相接，不存在幾何限位關(guān)系；粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1以預(yù)壓緊的方式安裝在被支撐結(jié)構(gòu)2和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3之間，通過預(yù)壓緊產(chǎn)生足夠的彈性壓力和面摩擦力來實現(xiàn)對被支撐結(jié)構(gòu)2的彈性約束和支撐。通過這種預(yù)壓緊產(chǎn)生彈性力和摩擦力的方式，實現(xiàn)了對被支撐結(jié)構(gòu)2的彈性約束支撐，達到了給被支撐結(jié)構(gòu)2形成一種穩(wěn)固、良好支撐的目的。粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1不僅能夠支撐承載和傳遞力，起彈性支撐作用，而且同時還可以通過自身的彈性變形消耗振動能量，對所支撐的結(jié)構(gòu)起減振作用。所述多功能粘彈性支撐結(jié)構(gòu)群1正是通過粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1產(chǎn)生的粘彈性效應(yīng)，起到了衰減結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動能量的效果。

為了在粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1的內(nèi)部形成恰當?shù)念A(yù)緊力，需要合適設(shè)計粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1在長度方向的尺寸L。設(shè)粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元在理想安裝狀態(tài)的預(yù)緊力為F₀，被支撐結(jié)構(gòu)2與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3之間的垂直距離(兩者之間的間隙)為D，由于粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元在預(yù)緊力F₀的作用下長度L會發(fā)生縮短(其變形示意圖如圖5所示)，縮短量為F₀L/EA，縮短之后的長度恰好等于間隙D，因此有L-F₀L/EA＝D，從而得到L滿足如下關(guān)系式：

此外，粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1在厚度方向的尺寸H應(yīng)盡量與被支撐結(jié)構(gòu)的厚度H₀一致，但應(yīng)小于H₀。由于粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1以預(yù)壓緊的方式嵌入到被支撐結(jié)構(gòu)2與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3之間，根據(jù)材料的泊松效應(yīng)，粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1在長度L縮短的同時，在厚度方向的尺寸H會增大，增大量為ν(L-D)?，F(xiàn)假設(shè)粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1所用材料的泊松比是ν，由此H應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

H≤H₀-ν(L-D) (2)

下面再考察任意一個方向上(例如x方向，如圖2(a)所示)，需要布置的粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量n。設(shè)粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的壓縮彈性模量為E，相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸為：長度為L，寬度為W，厚度為H，橫截面面積為A，A＝W·H，而被支撐結(jié)構(gòu)所需要提供的剛度為K₀，則該方向上粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元能夠提供的剛度K₁相當于n個彈簧并聯(lián)起來的剛度，用數(shù)學表達式可寫為：

進而可以推導得到數(shù)量n應(yīng)該滿足如下條件：

綜合式(1)、式(2)和式(4)，可以得出如下結(jié)論：所述粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1的數(shù)量和幾何尺寸主要是由被支撐結(jié)構(gòu)2所需要提供的剛度、阻尼、被支撐結(jié)構(gòu)2與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3之間的幾何邊界條件以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的預(yù)緊力F₀來綜合確定。

對于圖2(a)所示的本發(fā)明實施例，設(shè)被支撐結(jié)構(gòu)2與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3之間的間隙D＝38mm，理想預(yù)緊力F₀＝100N，壓縮彈性模量為E＝2.0MPa，橫截面面積A＝800mm²，根據(jù)式(1)，可以計算得到粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的長度L為40.53mm。再設(shè)被支撐結(jié)構(gòu)需要提供的剛度K₀＝1×10⁵N/m，則根據(jù)式(4)可以知道每個方向需要采用3個粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元對該電源模塊進行支撐。

此外，本實施例中被支撐結(jié)構(gòu)為一類帶電、發(fā)熱的航天結(jié)構(gòu)，為滿足航天應(yīng)用場合需要，它應(yīng)該具有良好的絕緣、散熱等性能，同時在真空環(huán)境下?lián)]發(fā)性盡可能小。由此，所述粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元1-1需要選用彈性模量較高、泊松比適中、絕緣電阻大、導熱系數(shù)較高、且真空揮發(fā)度極小的材料制成，其中，彈性模量應(yīng)不小于2.0兆帕，泊松比應(yīng)小于0.47，絕緣電阻應(yīng)大于50兆歐，導熱系數(shù)應(yīng)大于0.2瓦/米·攝氏度，真空揮發(fā)度應(yīng)小于0.01％。在如圖1所示的本實施例中，所述粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元選用乙烯基封端聚二甲基硅氧烷材料制作而成，其具體制備方法詳見已申請專利“多功能彈性連接件的制備方法”(申請?zhí)枺?01610303550.X)。

上述乙烯基封端聚二甲基硅氧烷材料為一種彈性高分子硅橡膠材料，具有可加工性強，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需要，通過模具加注的方式制作成任意形狀的特性，其具體的化學分子結(jié)構(gòu)式為：

由于采用上述彈性高分子硅橡膠材料，所制作的粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的彈性模量較小，約2.0Mpa，因而具有良好的彈性特性。此外，它還具有良好的絕緣與散熱性能。該粘彈性支撐結(jié)構(gòu)單元的絕緣電阻大于100兆歐，電氣強度高、耐壓性強，因而電絕緣性能優(yōu)良。與常規(guī)的高分子材料相比，該材料的導熱系數(shù)較高，其值為0.326瓦/米·攝氏度，熱傳導效果較好，因而對被支撐結(jié)構(gòu)來說具有較好的散熱性能。另外，該材料的真空揮發(fā)度極小，可收集的真空揮發(fā)物小于0.01％，因此適合在太空真空環(huán)境下應(yīng)用。

為進一步驗證應(yīng)用本發(fā)明后的減振效果，在地面條件下對圖2(a)所示情形的結(jié)構(gòu)開展加速度響應(yīng)測試試驗。如圖6所示，沿x方向在框架上的兩個中點分別粘貼并布置兩個加速度傳感器JSDC01和JSDC02，并沿圖中的箭頭位置和方向用力錘對框架進行敲擊激勵，通過測試計算機采集得到加速度傳感器的響應(yīng)信號。在x方向上敲擊時得到加速度傳感器1(JSDC01)和加速度傳感器2(JSDC02)的加速度信號如圖7所示。從圖7可以看出，加速度傳感器1的信號峰值明顯大于加速度傳感器2信號峰值，因此可以得出結(jié)論，敲擊所產(chǎn)生的振動經(jīng)過應(yīng)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)傳遞后有明顯衰減。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚本發(fā)明的范圍不限制于以上討論的示例，有可能對其進行若干改變和修改，而不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍。盡管己經(jīng)在附圖和說明書中詳細圖示和描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述僅是說明或示意性的，而非限制性的。本發(fā)明并不限于所公開的實施例。

通過對附圖，說明書和權(quán)利要求書的研究，在實施本發(fā)明時本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解和實現(xiàn)所公開的實施例的變形。在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”不排除其他步驟或元素，而不定冠詞“一個”或“一種”不排除多個。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中引用的某些措施的事實不意味著這些措施的組合不能被有利地使用。權(quán)利要求書中的任何參考標記不構(gòu)成對本發(fā)明的范圍的限制。