Magnetorheological Strut for Vibration Isolation System of Space Launcher
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Práce se zabývá návrhem magnetoreologické (MR) vzpěry vibroizolačního systému (VIS) pro kosmický nosič. V rešeršní části jsou popsány vybrané VIS a vzpěry těchto systémů, které byly v kosmických nosičích využity v minulosti. Každá z těchto vzpěr obsahující kapalinu byla těsněna pomocí statických těsnění a pružných vlnovců vyrobených z oceli. Důkladněji byla analyzována vzpěra pasivního systému VIS s označením ELVIS, jehož konstrukce se stala inspirací pro tuto práci. Jedná se o tříparametrický systém, v němž je tlumič uložen na pružině, jejíž tuhost přibližně odpovídá objemové tuhosti vlnovců respektive jejímu průmětu do axiálního směru (pressure thrust stiffness). V práci je představena metodika pro stanovení “pressure thrust stiffness” na základě geometrie vlnovce a také uvedeny parametry vlnovce díky kterým je možné měnit poměr mezi axiální a “pressure thrust stiffness” vlnovce. Tento poměr ovlivňuje v dané koncepci vzpěry její dynamické chování a tím i chování celého VIS. Pro predikci dynamického chování vzpěry byl vytvořen multi-body model VIS založeného na Stewartově plošině a detailnější model jediné vzpěry. Simulace provedené v tomto modelu odhalily parametry, které mají vliv na výkonost tlumiče ve VIS: časová odezva a dynamický rozsah. Díky modelu byl určen rozsah těchto parametrů, ve kterých bude zaručena efektivní funkce vzpěry ve VIS, konkrétně: časová odezva: 0-5ms, dynamický rozsah: 5-10. Před finálním návrhem vzpěry byla sestrojena vzpěra experimentální vzpěra, jejíž parametry byly přesně naměřeny a využity pro verifikaci jednotlivých modelů. Poznatky získané během experimentů byly využity při návrhu finální vzpěry. Jeden z nejdůležitějších poznatků byla nutnost náhrady feritového magnetického obvodu s ohledem na jeho křehkost. Proto byl odvozen tvarový přístup k navrhování rychlých magnetických obvodů z oceli s využitím 3D tisku, který byl následně patentován. Navržená vzpěra obsahuje magnetoreologický ventil jehož odezva je predikována na 1.2 ms a dynamický rozsah 10. V závěru práce je představena metodika, díky které byla vzpěra navržena.
The dissertation thesis deals with the design of magnetorheological (MR) strut for vibration isolation system (VIS) of the launch vehicle. Previously used VIS and their struts are described in state of the art. Each of the struts which contained any fluid was sealed by static seals and elastic bellows made of steel. The strut of a passive system called ELVIS was chosen as an inspiration and therefore analysed thoroughly. The strut is three-parametric that means the damper is elastically connected. The stiffness of this connection is identical to the projection of bellows volumetric stiffness into the axial direction which is called the pressure thrust stiffness. The method of the pressure thrust stiffness determination from the bellows dimensions is presented in the thesis. Moreover, the parameters which can be used for the modification of the ratio between axial and pressure thrust stiffness of bellows is also discussed. This ratio affects the dynamic behaviour of the strut, thus also the behaviour of whole VIS. The multi-body model of VIS based on the Stewart platform mechanism and detailed multi-body model of a single strut was created for the prediction of their dynamic behaviour in a vibration environment. Simulations have revealed the parameters which affect the efficiency of the MR strut: the time response and the dynamic force range of the MR valve. The range of these parameters which should ensure an effective vibration isolation by the MR strut in the specific VIS was determined by the multi-body model; specifically, time response: 0-5 ms and the dynamic force range 5-10. The final design of the MR strut for the VIS of the launch vehicle preceded the design, manufacture and testing of the experimental strut. The parameters of the experimental strut were measured and consequently used for the verification of models used in the thesis. Knowledge obtained during the tests were used in the final design of the strut. One of the most important detections was that the ferrite (material used in the magnetic circuit) cracked during the semi-active control of the experimental strut. Therefore, a method of the fast magnetic circuit designing was established and subsequently patented. The method is based on a shape modification of the magnetic circuit which ensures shorter time response and the magnetic circuit is manufactured by 3D printing. The MR strut designed in this thesis has a predicted time response of 1.2 ms and dynamic range 10. The method which was used for the design process is summarised in conclusions.
The dissertation thesis deals with the design of magnetorheological (MR) strut for vibration isolation system (VIS) of the launch vehicle. Previously used VIS and their struts are described in state of the art. Each of the struts which contained any fluid was sealed by static seals and elastic bellows made of steel. The strut of a passive system called ELVIS was chosen as an inspiration and therefore analysed thoroughly. The strut is three-parametric that means the damper is elastically connected. The stiffness of this connection is identical to the projection of bellows volumetric stiffness into the axial direction which is called the pressure thrust stiffness. The method of the pressure thrust stiffness determination from the bellows dimensions is presented in the thesis. Moreover, the parameters which can be used for the modification of the ratio between axial and pressure thrust stiffness of bellows is also discussed. This ratio affects the dynamic behaviour of the strut, thus also the behaviour of whole VIS. The multi-body model of VIS based on the Stewart platform mechanism and detailed multi-body model of a single strut was created for the prediction of their dynamic behaviour in a vibration environment. Simulations have revealed the parameters which affect the efficiency of the MR strut: the time response and the dynamic force range of the MR valve. The range of these parameters which should ensure an effective vibration isolation by the MR strut in the specific VIS was determined by the multi-body model; specifically, time response: 0-5 ms and the dynamic force range 5-10. The final design of the MR strut for the VIS of the launch vehicle preceded the design, manufacture and testing of the experimental strut. The parameters of the experimental strut were measured and consequently used for the verification of models used in the thesis. Knowledge obtained during the tests were used in the final design of the strut. One of the most important detections was that the ferrite (material used in the magnetic circuit) cracked during the semi-active control of the experimental strut. Therefore, a method of the fast magnetic circuit designing was established and subsequently patented. The method is based on a shape modification of the magnetic circuit which ensures shorter time response and the magnetic circuit is manufactured by 3D printing. The MR strut designed in this thesis has a predicted time response of 1.2 ms and dynamic range 10. The method which was used for the design process is summarised in conclusions.
Description
Keywords
vibroizolační systém, kosmický nosič, magnetoreologický, tlumič, vzpěra, ventil, vibrace, odpružení, tlumení, isolace, pružně uložený tlumič, krátká časová odezva, objemová tuhost, vibration isolation system, launch vehicle, payload adapter, magnetorheological, damper, strut, valve, vibrations, suspension, damping, isolation, elastically connected damper, short time response, pressure thrust stiffness, metal bellows
Citation
MACHÁČEK, O. Magnetorheological Strut for Vibration Isolation System of Space Launcher [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2018.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
Prof. Dmitry Borin (člen)
dr hab. inż. Janusz Gołdasz, prof. PK (člen)
Ing. Bronislav Růžička, Ph.D. (člen)
Ing. Zbyněk Strecker, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2018-12-07
Defence
DDP splňuje požadavky plynoucí z § 47 Zákona č.111/1998 Sb., O vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů a z článku 41 Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně.
DDP obsahuje původní výsledky uveřejněné mj. v článcích v impaktovaných časopisech a v přihlášce vynálezu.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení