CN103488812B - 卫星在轨微振动仿真建模修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种卫星在轨微振动仿真建模修正方法，分析卫星构型将星体结构与星上转动部件分开建模；依据地面试验数据和有限元理论进行星体结构有限元模型建模；依据姿控及星上其它转动部件的地面微振动试验数据建立星上转动部件仿真模型；根据地面试验状态建立地面仿真模型并删除地面约束建立在轨微振动仿真模型；根据地面试验数据、运动部件及其控制模式以及模态价值降阶法对在轨微振动仿真模型进行修正；进行地面试验状态的微振动仿真分析，并利用地面微振动试验数据进行模型修正；删除修正后的模型地面约束条件，完成建模。本发明能够有效降低飞轮对卫星平台的微振动干扰，为高精度、高分辨率、高稳定超静平台的发展提供技术支撑。

Description

卫星在轨微振动仿真建模修正方法
技术领域
本发明涉及一种卫星在轨微振动试验方法，具体地，涉及一种卫星在轨微振动仿真建模修正方法。
背景技术
卫星微振动环境的仿真计算是否准确，直接关乎到卫星微振动指标论证、隔振系统设计及在轨微振动环境监测的可实施性，进一步关乎到高精度卫星的研制成败。然而，从现有技术而言(如《某卫星微振动建模与仿真》，航天器环境工程2011年第28卷第1期)，卫星在轨微振动仿真分析存在星体模型准确建模难、转动部件特性准确描述难及整星微振动仿真模型准确建立难等特点，没有将更准确的试验数据作为输入进行模型建立，没有将转动部件控制系统进行建模，使得微振动仿真结果难以与试验完全统一，主要体现在频段及各频点量级上难以一致，进而难以指导、支持和论证在轨微振动隔振系统的性能和模拟在轨监测系统的工作过程。
因此，在卫星微振动研制的工程实际过程中，如何准确和高效的进行卫星微振动仿真建模，显得至关重要。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种卫星在轨微振动仿真建模修正方法。
根据本发明的一个方面，提供一种卫星在轨微振动仿真建模修正方法，包括以下步骤：
步骤1：根据整星设计方案分析卫星构型，将星体结构与星上转动部件分开进行单独建模分析；
步骤2：结合整星地面试验数据，利用有限元理论进行星体结构有限元模型建模；
步骤3：结合星上转动部件地面微振动试验和控制系统设计方案，利用有限元理论和多体动力学理论建立转动部件的含控制模型的多体动力学闭环模型；
步骤4：依据姿控及星上其它转动部件的地面微振动试验数据建立和修正星上转动部件仿真模型；
步骤5：建立整星有限元模型，将上述星体及转动部件的有限元模型整合建立整星有限元模型，并通过对比质量特性、模态特性、振动传递特性及网格优化进行模型修正；
步骤6：在PATRAN/NASTRAN及ADAMS软件中，制作不含转动部件的整星的模态中性文件，并建立卫星微振动多体动力学仿真模型，根据卫星地面微振动试验的试验环境建立地面微振动仿真模型；
步骤7：根据地面试验数据，利用质量特性、模态特性和振动传递特性对微振动仿真模型进行修正，并利用模态价值降阶法对模型进行优化；
步骤8：分别在ADAMS与MATLAB/SIMULINK软件中建立运动部件及其控制模式的仿真模型，并与多体动力学微振动仿真模型整合进行微振动仿真分析；
步骤9：进行地面试验状态的微振动仿真分析，将仿真数据与地面微振动试验数据进行对比分析，在排除地面环境对试验影响的同时，修正地面微振动仿真模型；
步骤10：删除修正后的地面微振动仿真模型的地面约束条件，得到卫星在轨微振动仿真模型。
优选地，步骤2中的地面试验数据包括整星模态试验数据和振动试验数据。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明从工程实际角度出发，将飞轮支架与飞轮转动部件分开考虑建模，并采用了更多的工程测试数据和参数优化措施，提出了一种可以降低飞轮对卫星平台的微振动干扰的被动隔振设计方法，本发明能够有效降低飞轮对卫星平台的微振动干扰，为高精度、高分辨率、高稳定超静平台的发展提供技术支撑。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明卫星在轨微振动仿真建模修正方法的流程原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种卫星在轨微振动仿真建模修正方法，包括以下步骤：
步骤1：根据整星设计方案分析卫星构型，将星体结构与星上转动部件分开进行单独建模分析。
步骤2：结合整星地面试验数据，利用有限元理论进行星体结构有限元模型建模。
进一步地，地面试验数据包括整星模态试验数据和振动试验数据。
步骤3：结合星上转动部件地面微振动试验和控制系统设计方案，利用有限元理论和多体动力学理论建立转动部件的含控制模型的多体动力学闭环模型。
步骤4：依据姿控及星上其它转动部件的地面微振动试验数据建立和修正星上转动部件仿真模型。
以上步骤3利用理论数据进行理论模型建模，步骤4利用试验数据修正理论模型，建立更符合实际的模型。
步骤5：建立整星有限元模型，将上述星体及转动部件的有限元模型整合建立整星有限元模型，并通过对比质量特性、模态特性、振动传递特性及网格优化进行模型修正。
步骤6：在PATRAN/NASTRAN及ADAMS软件中，制作不含转动部件的整星的模态中性文件，并建立卫星微振动多体动力学仿真模型，根据卫星地面微振动试验的试验环境建立地面微振动仿真模型。
步骤7：根据地面试验数据，利用质量特性、模态特性和振动传递特性对微振动仿真模型进行修正，并利用模态价值降阶法对模型进行优化。
步骤8：分别在ADAMS与MATLAB/SIMULINK软件中建立运动部件及其控制模式的仿真模型，并与多体动力学微振动仿真模型整合进行微振动仿真分析。
步骤9：进行地面试验状态的微振动仿真分析，将仿真数据与地面微振动试验数据进行对比分析，在排除地面环境对试验影响的同时，修正地面微振动仿真模型。
步骤10：删除修正后的地面微振动仿真模型的地面约束条件，得到卫星在轨微振动仿真模型。
本发明从工程实际角度出发，采用了更多的工程测试数据和高效的模型修正措施，提出了一种可以提高卫星在轨微振动仿真分析准确性的卫星在轨微振动仿真建模修正方法。首先，根据整星设计方案分析卫星构型，为整星仿真建模作出铺垫；之后，依据地面试验数据和有限元理论进行星体结构有限元模型建模和修正；依据姿控及星上其它转动部件的地面微振动试验数据建立和修正星上转动部件仿真模型；然后，建立微振动仿真模型，分别根据地面试验状态建立地面仿真模型及去掉地面约束建立在轨微振动仿真模型；再根据地面试验数据、运动部件及其控制模式以及模态价值降阶法，对卫星微振动仿真模型进行修正；最后，进行地面试验状态的微振动仿真分析，并利用地面微振动试验数据进行模型修正，将修正后的模型地面约束条件去掉，完成卫星在轨微振动仿真模型建模。具体地，以下结合图1详细说明本发明卫星在轨微振动仿真建模修正方法的实施步骤：
第一步，根据整星设计方案分析卫星构型，从整体上规划，将卫星结构(含星上非转动部件)与星上转动部件单独建模。
第二步，整理整星地面试验数据，包括整星模态试验、振动试验等，结合试验数据并利用有限元理论进行星体结构有限元模型修正。
第三步，整理星上转动部件(包括姿控系统及其它转动部件)地面微振动试验，结合试验数据和控制系统设计方案并利用有限元理论和多体动力学理论等分别建立转动部件的含控制模型的多体动力学闭环模型。
第四步，依据姿控及星上其它转动部件的地面微振动试验数据建立和修正星上转动部件仿真模型；
第五步，建立整星有限元模型，将上述星体及转动部件的有限元模型整合，并通过对比质量特性、模态特性、振动传递特性及网格优化，修正模型使其能真实反映卫星实际特性。最后，删除转动部件并制作界面点。
第六步，在PATRAN/NASTRAN及ADAMS软件中，制作整星(不含转动部件)的MNF(模态中性文件)，并建立卫星微振动多体动力学仿真模型。根据卫星地面微振动试验的试验环境建立地面微振动仿真模型，该模型与在轨微振动仿真模型的区别仅是引入重力场、试验工装及试验环境的阻尼等。
第七步，根据地面试验数据，利用质量特性、模态特性和振动传递特性对微振动仿真模型进行修正，并利用模态价值降阶法对模型进行优化，以达到最高效的仿真效率。
第八步，分别在ADAMS与MATLAB/SIMULINK软件中建立运动部件及其控制模式的仿真模型，并与多体动力学微振动仿真模型整合。
第九步，进行地面试验状态的微振动仿真分析，将仿真数据与地面微振动试验数据进行对比分析，在排除地面环境对试验影响的同时，修正地面微振动仿真模型；
第十步，将修正后的地面微振动仿真模型的地面约束条件去掉，即为卫星在轨微振动仿真模型。
本发明的卫星在轨微振动仿真建模修正方法具有以下技术特点：
1.将星体结构(含星上非转动部件单机)与星上转动部件分开考虑建模，前者主要利用整星模态试验、振动试验进行模型修正；后者主要利用转动部件地面试验数据进行建模和修正。
2.星上转动部件的建模，综合地面微振动试验数据和控制设计方案进行建模与修正。
3.星体结构的有限元建模及多体动力学建模，其模态特性、振动传递特性和质量特性均与试验数据对比并保证一致，模型利用效率利用“模态价值降阶法”进行优化。
4.卫星微振动仿真建模，采用PATRAN/NASTRAN进行有限元建模，采用ADAMS进行多体动力学建模，采用MATLAB/SIMULINK进行转动部件控制系统建模。
5.整星在轨微振动仿真模型修正，先建立地面微振动试验状态的仿真模型，较在轨仿真模型只引入了重力场及试验工装，再利用地面微振动试验数据进行地面仿真模型修正，将地面重力场及其它地面试验影响因素去掉后，即为整星在轨微振动仿真模型。
综上所述，本发明从工程实际角度出发，将飞轮支架与飞轮转动部件分开考虑建模，并采用了更多的工程测试数据和参数优化措施，提出了一种可以降低飞轮对卫星平台的微振动干扰的被动隔振设计方法，本发明能够有效降低飞轮对卫星平台的微振动干扰，为高精度、高分辨率、高稳定超静平台的发展提供技术支撑。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种卫星在轨微振动仿真建模修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据整星设计方案分析卫星构型，将星体结构与星上转动部件分开进行单独建模分析；
步骤2：结合整星地面试验数据，利用有限元理论进行星体结构有限元模型建模；
步骤3：结合星上转动部件地面微振动试验和控制系统设计方案，利用有限元理论和多体动力学理论建立转动部件的含控制模型的多体动力学闭环模型；
步骤4：依据姿控及星上其它转动部件的地面微振动试验数据建立和修正星上转动部件仿真模型；
步骤5：建立整星有限元模型，将上述星体及转动部件的有限元模型整合建立整星有限元模型，并通过对比质量特性、模态特性、振动传递特性及网格优化进行模型修正；
步骤6：在PATRAN/NASTRAN及ADAMS软件中，制作不含转动部件的整星的模态中性文件，并建立卫星微振动多体动力学仿真模型，根据卫星地面微振动试验的试验环境建立地面微振动仿真模型；
步骤7：根据地面试验数据，利用质量特性、模态特性和振动传递特性对微振动仿真模型进行修正，并利用模态价值降阶法对模型进行优化；
步骤8：分别在ADAMS与MATLAB/SIMULINK软件中建立运动部件及其控制模式的仿真模型，并与多体动力学微振动仿真模型整合进行微振动仿真分析；
步骤9：进行地面试验状态的微振动仿真分析，将仿真数据与地面微振动试验数据进行对比分析，在排除地面环境对试验影响的同时，修正地面微振动仿真模型；
步骤10：删除修正后的地面微振动仿真模型的地面约束条件，得到卫星在轨微振动仿真模型。
2.根据权利要求1所述的卫星在轨微振动仿真建模修正方法，其特征在于，步骤2中所述的整星地面试验数据包括整星模态试验数据和振动试验数据。
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