CN102567578B - 航天器振动试验夹具评价系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天器振动试验夹具评价系统，包括：(1)夹具属性浏览模块；(2)夹具模态计算模块；(3)夹具振动响应特性计算模块；(4)夹具性能评价模块；(5)夹具管理数据库。本发明的系统实现了夹具特性计算分析—夹具特性评价—夹具数据管理的一体化过程，可以快捷地完成夹具动态特性仿真计算和动态特性指标的定量评价，降低工程师的工作量，提高夹具评价和夹具模型管理的效率。
Description
技术领域
本发明属于航天器热振动试验领域，具体涉及一种航天器振动试验夹具评价系统。
背景技术
振动试验夹具是将受试产品安装到振动台的一种机械结构，是受试产品振动试验中重要的组成部分，在满足受试产品与振动台安装机械接口匹配的基本前提下，要求振动试验夹具具有良好的动态特性，理想的夹具应能模拟受试产品实际使用状态下的边界条件，但现实中往往难以实现，因此通常要求夹具是近似刚性的，能尽可能不失真地将振动台的振动激励传递给受试产品。振动试验夹具动态特性的优劣直接影响试验能否顺利进行以及试验结果的真实性，因此，在夹具设计阶段对振动试验夹具动态特性作出准确全面的评价尤为重要。
目前，在夹具设计阶段对振动试验夹具的评价主要通过模态分析和频率响应计算等常规的仿真方法获取夹具动态特性，再参照相应的夹具设计准则进行，其中的准则指标多由人工计算，效率较低，并且频率响应计算无法考虑振动台试验系统对夹具特性的影响，准确性较差。因此，提供一种航天器振动试验夹具的评价系统非常必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航天器振动试验夹具评价系统，该系统集成评价方法和评价准则，从而提高传统评价方法的效率和评价的准确性。
一种航天器振动试验夹具评价系统，包括：(1)夹具属性浏览模块：(2)夹具模态计算模块；(3)夹具振动响应计算模块；(4)夹具性能评价模块；(5)夹具管理数据库。其中：
(1)夹具属性浏览模块：用于对夹具机械CAD模型、夹具固有频率信息、夹具振动响应特性进行查看，夹具机械CAD模型包括二维图纸模型和三维实体模型，夹具机械CAD模型、夹具固有频率信息、夹具振动响应特性数据存储在夹具管理数据库中；
(2)夹具模态计算模块：用于对夹具有限元分析模型进行模态计算，即先设定模态频率求解阶数，进行模态计算，获得模态频率和模态振型结果并进行显示，然后将模态频率结果传送给夹具性能评价模块和夹具管理数据库以分别进行夹具固有频率特性的评价和数据的管理和存储；
(3)夹具振动响应特性计算模块：
夹具振动响应特性计算模块包括4个子步骤：a)组合建模；b)振动响应计算参数设置；c)夹具振动响应特性计算；d)夹具振动响应特性的输出与存储；
a)组合建模：集成振动试验的振动台有限元模型，并调用MSC.PATRAN软件打开振动台有限元模型，在MSC.PATRAN环境下导入夹具有限元模型，并将夹具有限元模型与振动台有限元模型使用刚性单元或梁单元按物理关系进行连接，获得有限元分析模型与振动台有限元模型的组合模型；
b)振动响应计算参数设置：在MSC.PATRAN环境下，在振动台有限元模型上设置输入力载荷，在振动台台面上设置控制点，在夹具上设置测量点；同时，在MSC.PATRAN环境下选择振动响应计算方法，设置振动响应计算输出结果类型为加速度；在该模块环境下设置振动响应计算控制谱，设置振动响应计算控制压缩比；
c)夹具振动响应特性计算：该模块首先调用MSC.NASTRAN进行振动台与夹具组合模型的频率响应特性计算，通过MSC.NASTRAN计算结果文件，即f06文件输出控制点和测量点的频率响应函数，并集成f06文件读取程序，自动识别并读取f06文件中的频率响应函数数据，然后调用集成的振动响应计算程序，进行夹具振动响应特性计算；
d)夹具振动响应特性的输出与存储：模块读取夹具振动响应特性计算结果的数据文件，以曲线的方式显示夹具测点的振动响应数据，并在曲线显示窗口可以查看振动响应曲线的最大值和对应的频率值，再将结果数据文件传送并存储到夹具管理数据库中；
(4)夹具性能评价模块：通过夹具机械尺寸评价准则、重量评价准则、固有频率评价准则以及振动响应评价准则对上述夹具四个方面的性能进行指标定量评价，评价结果传送并存储到夹具管理数据库中，其中：
机械尺寸评价准则为根据预先输入的夹具上下连接面直径和高度计算夹具圆台体角度，并比较圆台体角度是否落入40-50°，落入则满足要求，否则不满足，落入的角度范围可以根据特殊工程问题需要而重新设定；圆台体角度的计算公式为α＝arctan(2h/(Rd-Ru))，其中h为夹具高度，Rd为上下连接面直径中较大的直径，Ru为上下连接面直径中较小的直径；
重量评价准则为：计算夹具主体最大允许重量并与预先输入的夹具实际重量比较，判断夹具实际重量是否小于夹具最大允许重量；小于则满足要求；夹具主体最大允许重量计算公式为
其中m为夹具主体最大允许质量，单位为kg；K为常系数，一般取0.8；F为振动台最大正弦推力，单位为N；a为航天器正弦振动试验输入条件的最大加速度，单位为m/s2；m1为航天器总质量，单位为kg；m2为振动台动框质量，单位为kg；m3为振动台台面质量，单位为kg；
固有频率评价准则为：以航天器振动试验最高频率或航天器第一阶固有频率的3-5倍值为参考值，根据夹具模态计算结果，比较夹具第一阶固有频率与参考值，判断夹具第一阶固有频率是否高于参考值，并给出比较结果，高于参考值显示满足试验要求，否则显示不满足试验要求；
振动响应特性评价准则为：根据夹具振动响应特性计算结果，比较夹具正交方向的振动响应特性，当试验频率不高于150Hz时，判断正交方向振动响应是否小于激振方向振动量级的1/3，小于则显示满足试验要求，否则显示不满足试验要求；当试验频率高于150Hz时，判断正交方向振动响应是否小于激振方向振动量级的2/3，小于则显示满足试验要求，否则显示不满足试验要求；
(5)夹具管理数据库：用于存储夹具机械CAD模型、夹具固有频率信息、夹具振动响应特性数据、夹具有限元分析模型、夹具性能评价结果，并综合管理夹具数据。
其中，夹具模态计算模块中采用的计算方法包括Lanczos法、Givens法、Householder法、Inverse Power法；振动响应特性计算模块中采用的计算方法包括模态叠加法和直接法。
本发明的航天器振动试验夹具评价系统实现了夹具特性计算分析—夹具特性评价—夹具数据管理的一体化过程，可以快捷地完成夹具动态特性仿真计算和动态特性指标的定量评价，降低工程师的工作量，提高夹具评价和夹具模型管理的效率。
附图说明
图1为本发明的航天器振动试验夹具评价系统的结构图；
图2为本发明的航天器振动试验夹具评价系统组成与功能示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的航天器振动试验夹具评价系统作进一步的说明。
本发明的航天器振动试验夹具评价系统是以C#为主体开发语言，集成MSC.PATRAN/MSC.NASTRAN等工具软件的软件平台系统。图1是本发明的航天器振动试验夹具评价系统结构图，包含五个功能模块：(1)夹具属性浏览模块：(2)夹具模态计算模块；(3)夹具振动响应特性计算模块；(4)夹具性能评价模块；(5)夹具管理数据库。夹具模态计算模块主要提供夹具模态计算参数设置、求解计算、结果输出和存储的功能，夹具模态计算结果一方面直接存储到管理数据库中，另一方面传递给夹具性能评价模块进行夹具性能评价；夹具振动响应特性计算模块实现夹具的振动响应特性计算，提供夹具的振动响应特性数据，夹具振动响应特性计算结果一方面直接存储到夹具管理数据库中，另一方面传递给夹具性能评价模块进行夹具性能评价；夹具性能评价模块对夹具性能参数进行分析评价，该模块一方面可以直接输入夹具机械尺寸、重量参数进行评价，另一方面接受夹具模态分析模块和夹具振动响应特性计算模块的数据进行夹具性能评价，评价结果直接存储到夹具管理数据库中；夹具属性浏览模块主要从夹具管理数据库中读取夹具机械尺寸、重量数据和夹具评价结果数据，供工程师快速查阅夹具特性。每个模块由工程师通过人机交互，实现航天器振动试验夹具特性分析—夹具特性评价—夹具数据管理一体化工作。
图2是航天器振动试验夹具评价系统组成与功能示意图，各模块具体功能和关系如下：
(1)夹具属性浏览模块
该模块用于浏览夹具机械模型、夹具固有频率和夹具振动响应特性数据。机械模型浏览功能通过该模块调用AutoCAD和Pro/E工具软件实现。夹具机械模型存储在夹具管理数据库中，不同的机械模型文件有固定的文件后缀名，通常二维机械模型以AutoCAD支持的dwg文件格式存储，三维机械模型以Pro/E支持的prt文件格式存储。该模块在使用时根据机械模型文件后缀名自动识别支持的工具软件，并调用该工具软件，打开相应的模型文件，实现夹具机械模型的浏览查看。对已存储在数据库中的夹具机械尺寸、重量数据，该模块读取数据库中相应数据并显示，实现数据查看。对已存储在数据库中的夹具固有频率，该模块读取数据库中当前浏览夹具的固有频率数据，以列表的方式显示固有频率，实现夹具固有频率信息查看。对已存储在数据库中的夹具振动响应特性数据，该模块读取数据库中的相应数据，以曲线的方式显示振动响应数据，实现夹具振动响应特性的查看。
(2)夹具模态计算模块
夹具模态计算模块主要提供夹具模态计算参数设置、求解计算、结果输出和存储的功能。模态计算参数设置通过调用工具软件MSC.PATRAN进行，具体操作方式为：进入该模块后，该模块自动调用并打开MSC.PATRAN软件，通过人机交互操作，在MSC.PATRAN软件中导入夹具有限元分析模型，选择分析类型为模态分析，设置夹具模态分析的边界条件，设置夹具模态分析的求解参数，包括求解阶数、求解方法、输出结果类型，完成模态分析参数设置。参数设置完成后，在MSC.PATRAN环境下提交计算，进行模态计算，夹具模态计算模块中采用的计算方法以Lanczos法为例，工具软件自动调用MSC.NASTRAN进行模态计算，计算完成后生成结果文件。结果输出同样在MSC.PATRAN环境下实现，通过导入MSC.NASTRAN计算生成的结果文件，在MSC.PATRAN环境下输出模态频率和模态振型。结果存储通过模块集成的MSC.NASTRAN的结果文件即f06文件读取程序实现，该程序自动识别f06文件中的固有频率信息，并读取这些信息，并将读取结果保存到夹具管理数据库中。
(3)夹具振动响应特性计算模块
夹具振动响应特性计算模块实现夹具振动响应计算，提供夹具的振动响应特性数据。具体实现方式包括4个步骤：a)组合建模；b)振动响应计算参数设置；c)夹具振动响应特性计算；d)夹具振动响应特性的输出与存储。
a)组合建模：该模块集成振动试验的振动台有限元模型，并调用MSC.PATRAN软件打开振动台有限元模型，通过人机交互操作，在MSC.PATRAN环境下导入夹具有限元模型，并将夹具有限元模型与振动台有限元模型使用刚性单元或梁单元按物理关系进行连接，完成夹具有限元模型与振动台有限元组合建模；
b)振动响应计算参数设置：通过人机交互操作，在MSC.PATRAN环境下，在振动台有限元模型上设置输入力载荷，在振动台台面上设置控制点，在夹具上设置测量点；同时，在MSC.PATRAN环境下选择振动响应计算方法，设置振动响应计算输出结果类型为加速度；在该模块环境下设置振动响应计算控制谱，设置振动响应计算控制压缩比；
c)夹具振动响应特性计算：模块首先调用MSC.NASTRAN进行振动台与夹具组合模型的频率响应特性计算，通过MSC.NASTRAN计算结果文件，即f06文件输出控制点和测量点的频率响应函数，模块集成f06文件读取程序，自动识别并读取文件中的频率响应函数数据，然后调用集成的振动响应计算程序，进行夹具振动响应特性计算，以数据文件的形式输出夹具测量点的振动响应计算结果；
d)夹具振动响应特性的输出与存储：模块读取夹具振动响应特性计算结果的数据文件，以曲线的方式显示夹具测点的振动响应数据，在曲线显示窗口可以查看振动响应曲线的最大值和对应的频率值，再将结果数据文件传送并存储到夹具管理数据库。
(4)夹具性能评价模块
该模块根据夹具评价准则，对夹具机械尺寸、夹具重量、夹具固有频率特性和夹具振动响应特性四个方面的特性进行评价，并给出定量评价指标。
a)机械尺寸评价：模块根据夹具上下连接面直径和高度计算夹具圆台体角度，并与一般要求的40°～50°进行比较，评价夹具圆台体角度是否满足要求，圆台体角度落入40°～50°则满足要求，否则不满足要求，落入的角度范围可以根据特殊工程问题需要而重新设定；圆台体角度计算公式为α＝arctan(2h/(Rd-Ru))，其中h为夹具高度，Rd为上下连接面直径中较大的直径，Ru为上下连接面直径中较小的直径；
b)重量评价：模块计算夹具主体最大允许重量，并将夹具实际重量与最大允许重量比较，判断夹具实际重量是否小于夹具最大允许重量；小于则满足要求，否则不满足要求；夹具主体最大允许重量计算公式为其中m为夹具主体最大允许质量，单位为kg；K为常系数，一般取0.8；F为振动台最大正弦推力，单位为N；a为航天器正弦振动试验输入条件的最大加速度，单位为m/s2；m1为航天器总质量，单位为kg；m2为振动台动框质量，单位为kg；m3为振动台台面质量，单位为kg。
c)固有频率评价：以航天器振动试验最高频率或航天器第一阶固有频率的3-5倍值为参考值，根据夹具模态计算结果，比较夹具第一阶固有频率与参考值，判断夹具第一阶固有频率是否高于参考值，并给出比较结果，高于参考值显示满足试验要求，否则显示不满足试验要求；
d)振动响应特性评价：模块根据夹具振动响应特性计算结果，比较夹具正交方向的振动响应数据，当试验频率不高于150Hz时，判断正交方向振动响应是否小于激振方向振动量级的1/3，小于则显示满足试验要求，并显示比较结果，否则显示不满足试验要求，并显示比较结果。当试验频率高于150Hz时，判断正交方向振动响应是否小于激振方向振动量级的2/3，小于则显示满足试验要求，并显示比较结果，否则显示不满足试验要求，并显示比较结果。
(5)夹具管理数据库
夹具管理数据库用于对夹具机械模型文件、夹具有限元分析模型文件、夹具模态计算结果数据和文件、夹具振动响应特性计算结果数据和文件、夹具评价结果数据进行存储、供相关模块调用和集中管理。其中各文件采用文件ftp服务器方式存储和调用，当其他模块需要使用某个模型文件或数据文件时，该模块从文件ftp服务器调用目标文件，某模块在运行过程中产生的参数设置、参数结果等数据采用Oracle9i建立数据库进行存储和管理。
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 (3)
1.一种航天器振动试验夹具评价系统，包括：(1)夹具属性浏览模块；(2)夹具模态计算模块；(3)夹具振动响应特性计算模块；(4)夹具性能评价模块；(5)夹具管理数据库；其中：
(1)夹具属性浏览模块：用于对夹具机械CAD模型、夹具固有频率信息、夹具振动响应特性进行查看，夹具机械CAD模型包括二维图纸模型和三维实体模型，夹具机械CAD模型、夹具固有频率信息、夹具振动响应特性数据存储在夹具管理数据库中；
(2)夹具模态计算模块：用于对夹具有限元分析模型进行模态计算，即先设定模态频率求解阶数，进行模态计算，获得模态频率和模态振型结果并进行显示，然后将模态频率结果传送给夹具性能评价模块进行夹具固有频率特性的评价并将模态频率结果由夹具管理数据库进行数据管理和存储；
(3)夹具振动响应特性计算模块：用于对夹具有限元分析模型进行振动响应特性计算，包括4个子步骤：a)组合建模；b)振动响应计算参数设置；c)夹具振动响应特性计算；d)夹具振动响应特性的输出与存储；
a)组合建模：集成振动试验的振动台有限元模型，并调用MSC.PATRAN软件打开振动台有限元模型，在MSC.PATRAN环境下导入夹具有限元分析模型，并将夹具有限元分析模型与振动台有限元模型使用刚性单元或梁单元按物理关系进行连接，获得夹具有限元分析模型与振动台有限元模型的组合模型；
b)振动响应计算参数设置在MSC.PATRAN环境下，在振动台有限元模型上设置输入力载荷，在振动台台面上设置控制点，在夹具上设置测量点；同时，在MSC.PATRAN环境下选择振动响应计算方法，设置振动响应计算输出结果类型为加速度；在夹具振动响应特性计算模块环境下设置振动响应计算控制谱，设置振动响应计算控制压缩比；
c)夹具振动响应特性计算：夹具振动响应特性计算模块首先调用MSC.NASTRAN软件进行夹具有限元分析模型与振动台有限元模型的组合模型的频率响应特性计算，通过MSC.NASTRAN计算结果文件，即f06文件输出控制点和测量点的频率响应函数，并集成f06文件读取程序，自动识别并读取f06文件中的频率响应函数数据，然后调用集成的振动响应计算程序，进行夹具振动响应特性计算；
d)振动响应特性计算结果输出与存储：夹具振动响应特性计算模块读取夹具振动响应特性计算结果的数据文件，以曲线的方式显示夹具测量点的振动响应数据，并在曲线显示窗口可以查看振动响应曲线的最大值和对应的频率值，再将结果数据文件传送并存储到夹具管理数据库中；
(4)夹具性能评价模块：通过夹具机械尺寸评价准则、重量评价准则、固有频率评价准则以及振动响应特性评价准则对上述夹具四个方面的性能进行指标定量评价，评价结果传送并存储到夹具管理数据库中，其中：
机械尺寸评价准则为根据预先输入的夹具上下连接面直径和高度计算夹具圆台体角度，并比较圆台体角度是否落入40-50°范围，落入则满足要求，否则不满足，落入的角度范围可以根据特殊工程问题需要而重新设定；圆台体角度的计算公式为α＝arctan(2h/(Rd-Ru))，其中h为夹具高度，Rd为上下连接面直径中较大的直径，Ru为上下连接面直径中较小的直径；重量评价准则为：计算夹具主体最大允许重量并与预先输入的夹具实际重量比较，判断夹具实际重量是否小于夹具主体最大允许重量；小于则满足要求；夹具主体最大允许重量计算公式为其中m为夹具主体最大允许质量，单位为kg；K为常系数，一般取0.8；F为振动台最大正弦推力，单位为N；a为航天器正弦振动试验输入条件的最大加速度，单位为m/s2；m1为航天器总质量，单位为kg；m2为振动台动框质量，单位为kg；m3为振动台台面质量，单位为kg；
固有频率评价准则为：以航天器振动试验最高频率或航天器第一阶固有频率的3-5倍值为参考值，根据夹具模态计算结果，比较夹具第一阶固有频率与参考值，判断夹具第一阶固有频率是否高于参考值，并给出比较结果，高于参考值显示满足试验要求，否则显示不满足试验要求；
振动响应特性评价准则为：根据夹具振动响应特性计算结果，比较夹具正交方向的振动响应特性，当试验频率不高于150Hz时，判断正交方向振动响应是否小于激振方向振动量级的1/3，小于则显示满足试验要求，否则显示不满足试验要求；当试验频率高于150Hz时，判断正交方向振动响应是否小于激振方向振动量级的2/3，小于则显示满足试验要求，否则显示不满足试验要求；
(5)夹具管理数据库：用于存储夹具机械CAD模型、夹具固有频率信息、夹具振动响应特性数据、夹具模态频率结果、夹具有限元分析模型、夹具性能评价结果，并综合管理夹具数据。
2.如权利要求1所述的航天器振动试验夹具评价系统，其中，夹具模态计算模块中采用的计算方法包括Lanczos法、Givens法、Householder法、Inverse Power法。
3.如权利要求1所述的航天器振动试验夹具评价系统，其中振动响应特性计算模块中频率响应函数采用的计算方法包括模态叠加法和直接法。
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