CN102810127A

CN102810127A - 航天器虚拟振动试验系统

Info

Publication number: CN102810127A
Application number: CN2012102605955A
Authority: CN
Inventors: 向树红; 刘明辉; 刘闯; 冯咬齐; 樊世超; 于兆吉; 宋文龙; 魏平; 岳志勇; 邱汉平; 王剑; 冯国松; 谢政; 王嘉春
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明涉及一种航天器虚拟振动试验系统，其包括：振动试验闭环仿真模块：用于模拟真实振动试验的闭环控制过程进行虚拟振动试验的闭环仿真计算；模型修正模块：用于对振动台模型、夹具模型和航天器模型进行模型修正；试验条件分析模块：用于对高量级振动试验条件进行下凹量级和下凹频段的预示计算；夹具评价分析模块：用于对试验夹具的性能进行分析和评价，该夹具评价分析模块可对夹具进行模态分析和虚拟振动试验分析；试验数据库：用于为上述各功能模块存储和提供调用参数数据和文件数据。虚拟振动试验改进传统数值仿真结果，为真实试验设计提供指导性手段，防止欠试验、过试验，提高试验技术水平。

Description

航天器虚拟振动试验系统

技术领域

本发明涉及一种航天器虚拟振动试验系统，直接应用于航天器振动试验技术领域。

背景技术

随着国际形势的风云变化，航天事业作为现代化国防的重要组成部分，越来越受到重视，航天水平的高低也直接反映了我国国防水平的高低。随着航天事业的蓬勃发展，航天器研制逐步实现了从单一型号到多型号的研制，航天器的规模也越来越大。为适应当前小批量生产的需要，满足型号高可靠性，长寿命的要求，必须缩短研制周期，加快研制进度，提高研制精度。目前航天器研制从零部件到整星都要进行大量的实物试验，如产品的初样试验、鉴定试验、验收试验等一系列试验，整星和零部件试验越来越多，造成周期长、成本高、地面试验设备严重不足等缺点。加上航天产品的特殊性及动力学试验本身的高风险性，对于一些难度较大、风险系数较高，如试验量级过大、谱型过于苛刻的试验，由于受到当前技术水平、设备条件以及产品本身等因素的限制，往往无法完成试验。

从试验设计的角度上来看，卫星从整星到零部件的试验设计主要依赖经验和分析。对于航天器总体设计而言，制定试验条件的主要依据是总体动力学分析结果、部件试验结果及国外的技术经验，基本上不考虑振动台系统对产品振动试验结果的耦合影响。另外在进行卫星实体结构动态试验时，有些结构不得不用模型来代替，但有些实体结构的重量与尺寸太大，在现有试验设备上无法完成等等。

综上所述，仅用数值分析方法或者用实体振动试验方法都不能很好的解决复杂的大型卫星结构动力学问题。如果在制定实施一个环境试验之前，事先在虚拟试验室完成环境试验及预试验，一方面可以提高研制试验的可靠性及地面试验质量，另一方面设计方可以事先判断受试产品的响应特性，对可能发生的情况做到心中有数，并评估试验条件的真实性与合理性，据此制定出更加真实的模拟有效载荷与运载火箭发射时的动力学环境试验条件；另外试验设计人员可以充分考虑所选用的试验设备、仪器是否能够承担完成这种试验条件下的振动试验，以及判断振动控制点的选择、试验参数设置的合理性；甚至可以省去一些特殊产品的力学环境试验，达到减少结构设计的盲目性、优化产品设计、缩短研制周期、节约试验经费的目的。另外虚拟试验在指导试验设计方面可以协助试验人员进行夹具的设计与分析；通过对比虚拟试验结果和真实试验数据，可以对分析模型进行修正，以得到更加准确的虚拟试验结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种航天器虚拟振动试验系统，可以按照航天器真实振动试验的大纲要求完成航天器虚拟振动试验，该虚拟振动试验是考虑真实振动试验中各环节和试验系统的闭环控制仿真计算。虚拟振动试验改进传统数值仿真结果，为真实试验设计提供指导性手段，防止欠试验、过试验，提高试验技术水平。

附图说明

图1为航天器虚拟振动试验系统结构图。

图2为航天器虚拟振动试验闭环仿真方案图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作具体说明。

如图1所示，本发明的航天器虚拟振动试验系统总体实施方式通过搭建三大子系统实现：(1)首先搭建起试验数据库为系统功能模块提供运行数据；(2)同时建立航天器虚拟振动试验系统功能模块，利用数据库中的数据实现虚拟振动试验功能；(3)最后建立航天器虚拟振动试验界面软件系统，实现人机交互式参数设置和模块功能执行。

各子系统及其子模块之间的具体的作用关系和实现方式如下：

(1)试验数据库

试验数据库的数据内容包括振动台系统模型、夹具模型、航天器模型、试验条件、物理试验数据、虚拟试验数据，各模型或数据由功能模块子系统相应模块调用和输出，具体为：a)振动台系统模型、夹具模型、航天器模型、试验条件被振动台试验闭环仿真模块调用；b)振动台系统模型、夹具模型、航天器模型、物理试验数据被模型修正模块调用；c)试验条件和虚拟试验数据被试验条件分析模块调用；d)振动台系统模型、夹具模型、航天器模型被夹具分析评价模块调用；e)虚拟试验数据由振动台试验闭环仿真模块输出；f)振动台系统模型、夹具模型、航天器模型由模型修正模块输出；g)试验条件由试验条件分析模块输出。

试验数据库是整个系统运行的基础，其实现方法如下：

试验数据库由两部分建成：(1)采用Oracle9i建立参数数据库，用于存储整个系统运行过程中的全部参数型数据；(2)采用ftp技术建立文件服务器，用于存储整个系统运行过程中的全部模型文件和数据文件。

(2)振动试验闭环仿真模块

振动试验闭环仿真模块的功能是模拟真实振动试验的闭环控制过程进行虚拟振动试验的闭环仿真计算。该模块调用试验数据库中的振动台系统模型、夹具模型、航天器模型和试验条件形成虚拟振动试验数学模型，然后调用工具软件MSC.NASTRAN，结合该模块内置的虚拟振动试验闭环仿真算法进行虚拟振动试验闭环仿真计算，并输出加速度响应等虚拟振动试验结果，存储到试验数据库中，供模型修正模块和试验条件分析模块调用。

振动试验闭环仿真模块是虚拟振动试验的关键技术，其实现方法在正在审查中的发明专利《航天器虚拟正弦振动试验方法》中详细介绍，其申请号为201110406694.5。

(3)模型修正模块

模型修正模块的功能是对振动台模型、夹具模型和航天器模型进行模型修正。该模块从试验数据库中调用振动台模型、或夹具模型、或航天器模型，调用相应模型的虚拟试验结果和物理试验结果，将虚拟试验结果和物理试验结果作对比分析，二者误差较大时，调用工具软件对相应的模型进行灵敏度分析和模型修正计算，修正相应模型的物理参数，减小虚拟试验结果和物理试验结果之间的误差，并将修正后的参数更新到初始模型中，得到修正的模型，并存储到试验数据库中，供振动试验闭环仿真模块、夹具评价分析模块调用。

模型修正模块的实现方法如下：

针对某一有限元模型，编写计算机程序从试验数据库读取物理试验数据文件和虚拟试验数据文件，编写计算程序将对应的试验数据中的共振频率或共振峰值进行对比和误差计算，根据误差结果，调用MSC.NASTRAN对有限元模型进行灵敏度分析和模型修正计算，实现模型修正。

(4)试验条件分析模块

试验条件分析模块的功能是对高量级振动试验条件进行下凹量级和下凹频段的预示计算。该模块读取试验数据库中的初始高量级试验条件和低量级虚拟试验条件以及低量级虚拟试验结果，利用模块内置的试验条件预示准则，对上述三种数据进行分析计算，从而得到高量级试验条件的下凹量级和下凹频段，并将带下凹的高量级试验条件存储到试验数据库供振动试验闭环仿真模块调用进行高量级的虚拟振动试验。

该模块实现方法在正在审查中的发明专利《航天器正弦振动试验高量级试验条件预测系统》中详细介绍，其申请号为201110406703.0。

(5)夹具评价分析模块

夹具评价分析模块的功能是对试验夹具的性能进行分析和评价。该模块可对夹具进行模态分析和虚拟振动试验分析，模态分析时，该模块调用工具软件对夹具进行模态计算，并将模态结果与该模块内置的夹具评价准则中的相应指标进行对比分析，评价夹具的性能，并将结果存储到试验数据库的虚拟试验结果中；虚拟振动试验分析时，该模块调用振动台试验闭环仿真模块读取试验数据库中的振动台系统模型、夹具模型、航天器模型进行夹具的虚拟振动试验，并将夹具的虚拟振动试验结果与该模块内置的夹具评价准则中的相应指标进行对比分析，评价夹具的性能，并将结果存储到试验数据库的虚拟试验结果中。

该模块实现方法在正在审查中的发明专利《航天器振动试验夹具评价系统》中详细介绍，其申请号为201110428692.6。

(6)航天器虚拟振动试验界面软件系统

航天器虚拟振动试验界面软件系统的功能是以可视化的方式整合调用组成系统的各个功能模块和试验数据库中的模型和数据。通过在软件界面上，以人机交互的方式进行虚拟振动试验的参数设置、进行模型修正的参数设置、进行试验条件分析参数的设置、夹具评价分析参数的设置、以及虚拟试验结果的查看；设置好的参数会传递给相应的功能模块，以计算机自动计算的方式实现航天器虚拟振动试验仿真计算、模型修正、试验条件分析以及夹具评价分析；各模块计算过程中，以计算机后台程序的方式实现模块之间、模块与数据库之间的数据传递。

航天器虚拟振动试验界面软件系统是整个系统的可视化部分，所有的用户操作在该系统上进行，其实现方法具体为：采用WPF(Windows PresentationFoundation)技术进行Windows应用程序的开发，由该应用程序为本发明系统的各功能模块提供统一的参数设置界面、模块功能执行界面和结果查看界面，实现界面软件系统。

航天器虚拟振动试验系统基于真实振动台振动试验闭环系统，集成用于描述振动试验系统的振动台试验闭环仿真模块，集成用于航天器模型修正的模型修正模块，集成用于预测和分析高量级试验条件的试验条件分析模块，集成用于分析评价夹具性能的夹具分析评价模块，集成用于管理试验数据和模型的试验数据库，集成用于整合调用上述各个模块和试验数据库的航天器虚拟振动试验界面软件系统。该系统具备与商用软件MSC.Nastran、MATLAB、LMS.VirtualLab的程序和数据接口。

所述的振动台试验闭环仿真模块读取试验数据库中存储的试验模型和试验条件等数据，通过调用商用软件MSC.Nastran，并利用该模块的振动控制系统闭环仿真程序，模拟真实振动试验过程，进行虚拟振动试验仿真计算，输出航天器加速度响应结果，并存储到试验数据库，供其他模块调用。其中所需的控制参数等通过在界面软件系统设置完成。

所述的模型修正模块读取试验数据库中存储的物理试验结果和虚拟试验结果，并进行对比分析，根据结果的差异情况，调用商用软件MSC.Nastran对航天器有限元模型进行灵敏度分析和模型修正计算，并将修正的模型结果存储到试验数据库，供其他模块调用。其中所需的模型修正参数等通过在界面软件系统设置实现。

所述的试验条件分析模块读取试验数据库中的低量级虚拟试验条件和结果、初始高量级试验条件、高量级试验要求等数据，利用集成的试验条件预示准则，进行高量级试验条件下凹量级和下凹频段的计算，并得到带下凹的高量级试验条件，将带下凹的试验条件存储到试验数据库用于高量级虚拟振动试验。其中所需的参数通过在界面软件系统设置完成。

所述的夹具分析评价模块读取试验数据库中存储的夹具模型，调用商用软件MSC.Nastran进行夹具模态分析，调用振动台试验闭环仿真模块对夹具进行虚拟振动试验，并将模态分析结果和夹具虚拟振动结果与集成在该模块中的航天器夹具设计准则进行对比，根据对比情况对夹具相关指标作出评价，并将结果存储到试验数据库。其中模态分析、虚拟振动试验、夹具设计准则所需的参数设置通过在界面软件系统设置完成。

所述的试验数据库用于存储虚拟振动试验所涉及的所有模型、试验数据、试验参数，供各个功能模块调用和输出数据的存储，实现各个功能模块之间的数据传递和交换。

所述的航天器虚拟振动试验界面软件系统用于整合调用组成系统的各个功能模块和试验数据库中的模型和数据，以人机交互的方式实现参数设置和结果查看，以计算机自动仿真计算的方式实现航天器虚拟振动试验仿真计算。

效果：本发明充分考虑了航天器真实振动试验的所有关键环节，集成了振动台控制系统和传递函数，能够实现与航天器真实物理振动试验流程和功能一致的虚拟振动试验，显著提高传统数值方法的真实性。本发明首次实现了航天器振动试验的虚拟闭环仿真，与传统的数值仿真相比更接近真实试验的物理状态，对物理振动试验的指导性更强，已经在多个型号的研制过程中应用，取得了良好的经济效益。

Claims

1.一种航天器虚拟振动试验系统，其包括：

振动试验闭环仿真模块：用于模拟真实振动试验的闭环控制过程进行虚拟振动试验的闭环仿真计算，该振动试验闭环仿真模块调用试验数据库中的振动台系统模型、夹具模型、航天器模型和试验条件形成虚拟振动试验数学模型，然后调用工具软件MSC.NASTRAN，结合该振动试验闭环仿真模块内置的虚拟振动试验闭环仿真算法进行虚拟振动试验闭环仿真计算，并输出加速度响应等虚拟振动试验结果，存储到试验数据库中，供模型修正模块和试验条件分析模块调用；

模型修正模块：用于对振动台模型、夹具模型和航天器模型进行模型修正；该模型修正模块从试验数据库中调用振动台模型、或夹具模型、或航天器模型，调用相应模型的虚拟试验结果和物理试验结果，将虚拟试验结果和物理试验结果作对比分析，二者误差较大时，调用工具软件对相应的模型进行灵敏度分析和模型修正计算，修正相应模型的物理参数，减小虚拟试验结果和物理试验结果之间的误差，并将修正后的参数更新到初始模型中，得到修正的模型，并存储到试验数据库中，供振动试验闭环仿真模块、夹具评价分析模块调用；

试验条件分析模块：用于对高量级振动试验条件进行下凹量级和下凹频段的预示计算，该试验条件分析模块读取试验数据库中的初始高量级试验条件和低量级虚拟试验条件以及低量级虚拟试验结果，利用模块内置的试验条件预示准则，对上述三种数据进行分析计算，从而得到高量级试验条件的下凹量级和下凹频段，并将带下凹的高量级试验条件存储到试验数据库供振动试验闭环仿真模块调用进行高量级的虚拟振动试验；

夹具评价分析模块：用于对试验夹具的性能进行分析和评价，该夹具评价分析模块可对夹具进行模态分析和虚拟振动试验分析。

试验数据库：用于为上述各功能模块存储和提供调用参数数据和文件数据。

2.如权利要求1所述的航天器虚拟振动试验系统，其中模型修正模块的实现方法如下：针对某一有限元模型，编写计算机程序从试验数据库读取物理试验数据文件和虚拟试验数据文件，编写计算程序将对应的试验数据中的共振频率或共振峰值进行对比和误差计算，根据误差结果，调用MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN对有限元模型进行灵敏度分析和模型修正计算，实现模型修正。

3.如权利要求1所述的航天器虚拟振动试验系统，其中夹具评价分析模块进一步包括，进行模态分析时，该模块调用工具软件对夹具进行模态计算，并将模态结果与该模块内置的夹具评价准则中的相应指标进行对比分析，评价夹具的性能，并将结果存储到试验数据库的虚拟试验结果中；虚拟振动试验分析时，该模块调用振动台试验闭环仿真模块读取试验数据库中的振动台系统模型、夹具模型、航天器模型进行夹具的虚拟振动试验，并将夹具的虚拟振动试验结果与该模块内置的夹具评价准则中的相应指标进行对比分析，评价夹具的性能，并将结果存储到试验数据库的虚拟试验结果中。

4.如权利要求1所述的航天器虚拟振动试验系统，其中试验数据库由两部分建成：(1)采用Oracle9i建立参数数据库，用于存储整个系统运行过程中的全部参数型数据；(2)采用ftp技术建立文件服务器，用于存储整个系统运行过程中的全部模型文件和数据文件。