CN102567575A

CN102567575A - 航天器虚拟正弦振动试验方法

Info

Publication number: CN102567575A
Application number: CN2011104066945A
Authority: CN
Inventors: 刘闯; 向树红; 冯咬齐
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: CN102567575B

Abstract

本发明公开了一种航天器虚拟正弦振动试验方法，包括模拟模型的构建步骤；虚拟正弦振动试验的参数设置步骤；传递函数计算步骤；试验驱动信号生成步骤；虚拟正弦振动试验步骤。本发明的方法充分考虑了航天器真实振动试验的所有关键环节，集成了振动台试验控制系统和多个组成系统的传递函数，采用闭环计算方法，显著提高传统开环数值方法的真实性和精度。

Description

航天器虚拟正弦振动试验方法

技术领域

本发明涉及一种航天器虚拟正弦振动的试验方法，该方法可直接应用于航天器的振动试验技术领域。

背景技术

卫星等航天器在发射过程中要经历严酷的振动环境载荷，为确保航天器在发射过程中不被振动载荷破坏，在研制过程中必须在地面进行振动环境试验，来考核产品的结构强度，采用振动台模拟振动环境是目前常用的方法。在产品设计阶段都会通过数值计算的方法进行振动环境试验的仿真分析，特别是采用大质量法或强迫运动激励法，但这些开环仿真方法的分析结果往往与振动试验结果有很大的差距。分析其中原因，除了建立的分析模型与实际产品有差别外，仿真分析的方法上也存在与振动试验方法不同，主要体现在目前的分析方法基本上不考虑振动台系统对产品振动试验的耦合影响，不考虑振动控制系统闭环控制的影响，所以两者的差距较大。为此，设计一种能够更贴近实际情况的航天器虚拟正弦振动的试验方法对于振动仿真来说非要必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天器虚拟正弦振动试验方法，该方法是一种考虑真实正弦振动试验中各种机电环节和试验系统闭环控制的仿真计算方法，改进了传统仿真方法的计算结果。

一种航天器虚拟正弦振动试验方法，包括以下步骤：

1)模拟模型的构建步骤

通过msc.nastran软件建立振动台、航天器、夹具的有限元模型，通过matlab软件建立功率放大系统、加速度传感器、滤波及放大电路系统的仿真模型。

2)虚拟正弦振动试验的参数设置步骤

虚拟正弦振动试验的参数包括：试验起始频率、试验截止频率、试验量级条件(试验控制点的加速度数值随试验频率的变化曲线)、试验扫描速率、频率采样间隔时间、试验压缩比、及选定的模拟模型上的试验控制点和试验响应点；

3)传递函数计算步骤

在msc.nastran中将振动台、航天器、夹具的有限元模型组合成为整体分析模型，计算单位力(1牛顿)的输入情况下，试验控制点和试验响应点频域分析的加速度结果，将加速度结果除以单位力，得到试验控制点和试验响应点的相对于力的传递函数；

利用matlab软件计算功率放大系统、加速度传感器、滤波及放大电路系统的传递函数，其中功率放大系统的传递函数的输入参数为控制电压，输出参数为驱动电流；加速度传感器系统的传递函数的输入参数为加速度响应，输出参数为电荷；滤波及放大电路系统的传递函数的输入参数为电荷，输出参数为电荷(该传递函数可以取为1)；以及利用F＝BIL(B为振动台的磁场强度，L为振动台的线圈长度，I为驱动电流)函数关系进而得到功率放大系统的驱动电流与振动台的驱动力之间的传递函数；

将上述得到的所有传递函数相乘，得到功放系统的驱动信号和试验控制点、试验响应点之间的总传递函数。

4)试验驱动信号生成步骤

设试验起始频率为f₀，试验要求的试验控制点响应量级(对应于试验量级条件中起始频率对应的加速度值)为a_T，试验压缩比为α，驱动初始信号电压为U₀，试验系统在f₀频率下的总传递函数为H(f₀)，则在驱动初始信号电压U₀的作用下，系统的响应加速为：

a₀＝H(f₀)U₀..........................................(10)

计算该响应与目标的响应差

Δa₀＝a_T-a₀...........................................(11)

下一迭代步的加速度响应为

a₁＝a₀+αΔa₀..........................................(12)

驱动电压为

U₁＝a₁/H(f₀).........................................(13)

以后的迭代重复计算公式11-公式13，即：

Δa_n＝a_T-a_n

a_n+1＝a_n+αΔa_n.......................................(14)

U_n+1＝a_n+1/H(f₀)

当|Δa_n|小于事先设定的值(如：10^-5)时，即认为达到了试验的量级，迭代结束，得到驱动电压U，然后进行试验；如果大于该设定值，则返回按照公式14继续进行迭代。

5)虚拟正弦振动试验步骤

将驱动信号U与总传递函数相乘，得到试验控制点和试验响应点的响应加速度并输出；然后通过公式15计算得到下一点的频率值f_n+1，

f_n+1＝2^A*tf_n............................................(15)

其中A为扫描速度(单位oct/min)，t为在参数设置时给出的频率采样间隔时间(单位min)。

比较该频率值是否大于试验截止频率，大于时则结束试验，反之，则确定下一频率点的驱动信号，下一频率点的驱动信号确定方法如下：

先计算频率的差，其中a_c(f_n)是获取的试验控制点响应信号：

Δa_n＝a_T(f_n+1)-a_c(f_n)....................................(16)

计算下一频率点的期待加速度响应：

a′(f_n+1)＝a_c(f_n)+αΔa_n...................................(17)

根据此频率的传递函数计算驱动信号：

U_c(f_n+1)＝a′(f_n+1)/H(f_n)..................................(18)

然后重复步骤5)。

本发明的方法充分考虑了航天器真实振动试验的所有关键环节，集成了振动台试验控制系统和多个组成系统的传递函数，采用闭环计算方法，显著提高传统开环数值方法的真实性和精度。

附图说明

图1为本发明的航天器虚拟正弦振动试验方法的流程示意图。

图2为本发明的传递函数计算关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的航天器虚拟正弦振动试验方法的流程作进一步的说明。

如图1所示，本发明的航天器虚拟正弦振动试验方法主要通过五个步骤实现

1)模拟模型的构建步骤

2)虚拟正弦振动试验的参数设置步骤

3)传递函数计算步骤

各传递函数的计算关系如图2所示。

4)试验驱动信号生成步骤

a₀＝H(f₀)U₀..........................................(19)

计算该响应与目标的响应差

Δa₀＝a_T-a₀...........................................(20)

下一迭代步的加速度响应为

a₁＝a₀+αΔa₀............................................(21)

驱动电压为

U₁＝a₁/H(f₀).........................................(22)

以后的迭代重复计算公式20-公式22，即：

Δa_n＝a_T-a_n

a_n+1＝a_n+αΔa_n.......................................(23)

U_n+1＝a_n+1/H(f₀)

当|Δa_n|小于事先设定的值(如：10^-5)时，即认为达到了试验的量级，迭代结束，得到驱动电压U，然后进行试验；如果大于该设定值，则返回按照公式23继续进行迭代。

5)虚拟正弦振动试验步骤

f_n+1＝2^A*tf_n...........................................(24)

Δa_n＝a_T(f_n+1)-a_c(f_n)....................................(25)

计算下一频率点的期待加速度响应：

a′(f_n+1)＝a_c(f_n)+αΔa_n....................................(26)

根据此频率的传递函数计算驱动信号：

U_c(f_n+1)＝a′(f_n+1)/H(f_n)..................................(27)

然后重复步骤5)。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种航天器虚拟正弦振动试验方法，包括以下步骤：

1)模拟模型的构建步骤

通过msc.nastran软件建立振动台、航天器、夹具的有限元模型，通过matlab软件建立功率放大系统、加速度传感器、滤波及放大电路系统的仿真模型；

2)虚拟正弦振动试验的参数设置步骤

虚拟正弦振动试验的参数包括：试验起始频率、试验截止频率、试验量级条件、试验扫描速率、频率采样间隔时间、试验压缩比、及选定的模拟模型上的试验控制点和试验响应点；

3)传递函数计算步骤

在msc.nastran中将振动台、航天器、夹具的有限元模型组合成为整体分析模型，计算单位力的输入情况下，试验控制点和试验响应点频域分析的加速度结果，将加速度结果除以单位力，得到试验控制点和试验响应点的相对于力的传递函数；

利用matlab软件计算功率放大系统、加速度传感器、滤波及放大电路系统的传递函数，其中功率放大系统的传递函数的输入参数为控制电压，输出参数为驱动电流；加速度传感器系统的传递函数的输入参数为加速度响应，输出参数为电荷；滤波及放大电路系统的传递函数的输入参数为电荷，输出参数为电荷；以及利用F＝BIL函数关系进而得到功率放大系统的驱动电流与振动台的驱动力之间的传递函数，其中B为振动台的磁场强度，L为振动台的线圈长度，I为驱动电流；

将上述得到的所有传递函数相乘，得到功放系统的驱动信号和试验控制点、试验响应点之间的总传递函数；

4)试验驱动信号生成步骤

设试验起始频率为f₀，试验要求的试验控制点响应量级为a_T，试验压缩比为α，驱动初始信号电压为U₀，试验系统在f₀频率下的总传递函数为H(f₀)，则在驱动初始信号电压U₀的作用下，系统的响应加速为：

a₀＝H(f₀)U₀............................................(1)

计算该响应与目标的响应差

Δa₀＝a_T-a₀.............................................(2)

下一迭代步的加速度响应为

a₁＝a₀+αΔa₀............................................(3)

驱动电压为

U₁＝a₁/H(f₀)...........................................(4)

以后的迭代重复计算公式2-公式4，即：

Δa_n＝a_T-a_n

a_n+1＝a_n+αΔa_n.........................................(5)

U_n+1＝a_n+1/H(f₀)

当|Δa_n|小于事先设定的值时，即认为达到了试验的量级，迭代结束，得到驱动电压U，然后进行试验；如果大于该设定值，则返回按照公式5继续进行迭代；

5)虚拟正弦振动试验步骤

将驱动信号U与总传递函数相乘，得到试验控制点和试验响应点的响应加速度并输出；然后通过公式6计算得到下一点的频率值f_n+1，

f_n+1＝2^A*tf_n.............................................(6)

其中A为扫描速度，t为在参数设置时给出的频率采样间隔时间；

Δa_n＝a_T(f_n+1)-a_c(f_n)......................................(7)

计算下一频率点的期待加速度响应：

a′(f_n+1)＝a_c(f_n)+αΔa_n.....................................(8)

根据此频率的传递函数计算驱动信号：

U_c(f_n+1)＝a′(f_n+1)/H(f_n)....................................(9)

然后重复步骤5)。

2.如权利要求1所述的航天器虚拟正弦振动试验方法，其特征在于，所述事先设定的值为10^-5。

3.如权利要求1所述的虚拟正弦振动试验方法，其中，航天器滤波及放大电路系统的传递函数取为1。