CN105474796B - 太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法考虑了太阳电池翼各部组件在轨动力学载荷特性及其衰减规律，按照动态载荷包含的频率成分信息，在各部组件不同方向上，基于不同载荷量级分段进行了载荷作用次数统计，最终形成了各部组件疲劳试验载荷谱，并依此按照既定的试验方案完成了相关疲劳试验。采用本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法可有效开展太阳电池翼地面疲劳试验，弥补了以往地面疲劳试验设计中只进行静力试验考核的不足之处，使得太阳电池翼发射之前经历了更加系统、完备的试验验证。<pb pnum="1" />

Description

太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法

技术领域

本发明涉及载人航天工程领域的太阳电池翼地面疲劳试验，具体涉及一种太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法。

背景技术

载人航天工程中，飞船或目标飞行器配置的轨控发动机推力大，在轨提供的飞行过载较一般卫星高于一个量级，同时在轨大过载工况也较为频繁，此时太阳电池翼重复承载问题显得比较突出，必须研究一套适合于太阳电池翼开展地面疲劳试验的疲劳载荷谱制定方法，按照疲劳载荷谱规定的载荷进行地面测试，一方面考核太阳电池翼完成在轨飞行任务的基本能力，另一方面需通过疲劳试验考核提高太阳电池翼设计的可靠性，从而提高整个航天器系统设计的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，可按照该方法制定疲劳载荷谱进行相关疲劳试验，以测试太阳电池翼各部组件经受多周期疲劳载荷作用后的力学性能。

为了达到上述的目的，本发明提供一种太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，包括以下步骤：步骤1，对太阳电池翼整翼在轨工况动态载荷进行分析，获得太阳电池翼各部组件所有在轨工况下的动态载荷数据；步骤2，基于太阳电池翼整翼动载衰减规律，分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对每个太阳电池翼组件，综合该组件所有在轨工况，根据该组件每个工况下峰值载荷进行载荷分段，统计该组件各个工况在不同载荷分段下的振动次数以及总的振动次数，形成太阳电池翼各部组件独立的所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表；步骤3、分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对太阳电池翼各部组件形成对应的考核试验载荷谱；步骤4、分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对太阳电池翼各部组件形成对应的可靠性试验载荷谱。

上述太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，其中，所述步骤2中，所述太阳电池翼整翼动载衰减规律包括模态阻尼比式(1)和对数衰减率式(2)：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{1}{N}ln\frac{y_j}{y_{j+N}}---\left(2\right)$

其中，为阻尼比，δ为对数衰减率，N为响应幅值y_i与y_i+N间隔波形个数。

上述太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，其中，形成考核试验载荷谱的依据是步骤2形成的所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表，所述考核试验载荷谱的横轴为加载次数，纵轴为对应的载荷，载荷量级由低到高施加。

上述太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，其中，形成可靠性试验载荷谱的依据是步骤3形成的考核试验载荷谱，所述可靠性试验载荷谱的横轴为加载次数，纵轴为对应的载荷，载荷量级由低到高施加，所述可靠性试验载荷谱在载荷量级上与所述考核试验载荷谱相同，加载次数为所述考核试验载荷谱的加载次数的2倍。

采用本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法可有效开展太阳电池翼地面疲劳试验，弥补了以往地面疲劳试验设计中只进行静力试验考核的不足之处，使得太阳电池翼发射之前经历了更加系统、完备的试验验证；

利用本发明可快速准确地实现航天器太阳电池翼的疲劳试验载荷谱制定，针对太阳电池翼各部组件开展相应的疲劳试验工作，据此考核了太阳电池翼各部组件的典型环节经受多周期疲劳载荷作用后力学性能是否存在明显的下降问题，同时针对太阳电池翼各部组件积累了宝贵的可靠性试验数据，利用本发明取得了快速、准确开展电池翼疲劳试验、提高设计可靠性的有益效果。

附图说明

本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法由以下的实施例及附图给出。

图1是平行电池翼方向根部铰链副弯矩所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表。

图2是平行电池翼方向根部铰链副的考核试验载荷谱。

图3是平行电池翼方向根部铰链副的可靠性试验载荷谱。

具体实施方式

以下将结合图1～图3对本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法作进一步的详细描述。

本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法包括以下步骤：

步骤1，对太阳电池翼整翼在轨工况动态载荷进行分析，获得太阳电池翼各部组件所有在轨工况下的动态载荷数据；

本实施例采用商业软件NASTRAN对太阳电池翼整翼在轨工况动态载荷进行分析，先利用NASTRAN建立太阳电池翼动力学模型，再分析太阳电池翼整翼在轨工况动态载荷；

NASTRAN是美国国家航空航天局开发的具有高度可靠性的结构有限元分析软件，是本技术领域通用软件，利用NASTRAN的功能模块进行建模、计算、分析是本技术领域技术人员熟知的技术手段；

太阳电池翼的组件例如根部铰链副、基板、边框、铰链副支座、连接架，在轨工况有轨返分离工况、对接工况、制动工况、轨道机动工况和组合体维持工况；

所述动态载荷数据包括峰值载荷及动态载荷频率信息，所述载荷包括弯矩、剪力、轴力；

步骤2，基于太阳电池翼整翼动载衰减规律，分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对每个太阳电池翼组件，综合该组件所有在轨工况，根据该组件每个工况下峰值载荷进行载荷分段，统计该组件各个工况在不同载荷分段下的振动次数以及总的振动次数，形成太阳电池翼各部组件独立的所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表；

所述太阳电池翼整翼动载衰减规律包括模态阻尼比式(1)和对数衰减率式(2)：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{1}{N}ln\frac{y_i}{y_{i+N}}---\left(2\right)$

其中，为阻尼比，δ为对数衰减率，N为响应幅值y_i与y_i+N间隔波形个数；

以平行电池翼方向根部铰链副弯矩为例，图1所示为平行电池翼方向根部铰链副弯矩所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表，根据步骤1获得的平行电池翼方向根部铰链副弯矩所有在轨工况下的动态载荷数据，基于太阳电池翼整翼动载衰减规律，将载荷分为五段(五个量级)，载荷量级由高至低分别为1650～1250Nm、1250～610Nm、610～480Nm、480～197Nm和197～50Nm，1650Nm是轨返分离工况下的峰值载荷，1250Nm是对接工况下的峰值载荷，610Nm是制动工况下的峰值载荷，480Nm是轨道机动工况下的峰值载荷，197Nm是组合体维持工况下的峰值载荷；垂直电池翼方向根部铰链副弯矩所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表可依据相同方法获得；

步骤3、分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对太阳电池翼各部组件形成对应的考核试验载荷谱；

形成考核试验载荷谱的依据是步骤2形成的所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表，所述考核试验载荷谱的横轴为加载次数，纵轴为对应的载荷，为充分考核各部组件性能，载荷量级由低到高施加，对每个载荷量级，载荷数值取该载荷量级的最大值；

仍以平行电池翼方向根部铰链副弯矩为例，依据图1平行电池翼方向根部铰链副弯矩所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表，形成根部铰链副在平行电池翼方向上弯矩考核试验载荷谱，如图2所示，该考核试验载荷谱包含五段，依次是M1、M2、M3、M4和M5，分别对应于图1的197～50Nm、480～197Nm、610～480Nm、1250～610Nm和1650～1250Nm五个载荷量级(载荷量级由低到高施加)，对于第一段M1，载荷数值取197Nm，对于第二段M2，载荷数值取480Nm，对于第三段M3，载荷数值取610Nm，对于第四段M4，载荷数值取1250Nm，对于第五段M5，载荷数值取1650Nm；

考核试验载荷谱为飞船或目标飞行器在轨飞行程序中所有工况下，太阳电池翼总的振动次数累计，也即总的载荷加载次数，作为对太阳电池翼在轨完成所有任务的基本考核；

步骤4、分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对太阳电池翼各部组件形成对应的可靠性试验载荷谱；

形成可靠性试验载荷谱的依据是步骤3形成的考核试验载荷谱，所述可靠性试验载荷谱的横轴为加载次数，纵轴为对应的载荷，为充分测试太阳电池翼各部组件的性能，载荷量级由低到高施加，为提高太阳电池翼在轨工作可靠性，提出的可靠性试验载荷谱在载荷量级上与考核试验载荷谱相同，加载次数为考核试验载荷谱的加载次数的2倍；

仍以平行电池翼方向根部铰链副弯矩为例，图3所示的根部铰链副可靠性试验载荷谱是依据图2的考核试验载荷谱形成的，对于同一载荷量级，加载次数为考核试验载荷谱的加载次数的2倍。

步骤3形成的考核试验载荷谱和步骤4形成的可靠性试验谱共同构成太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱，分别按照3的考核试验载荷谱和步骤4的可靠性试验谱对太阳电池翼各部组件开展相关疲劳试验。

本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法考虑了太阳电池翼各部组件在轨动力学载荷特性及其衰减规律，按照动态载荷包含的频率成分信息，在各部组件不同方向上，基于不同载荷量级分段进行了载荷作用次数统计，最终形成了各部组件疲劳试验载荷谱，并依此按照既定的试验方案完成了相关疲劳试验。

采用本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法可有效开展太阳电池翼地面疲劳试验，弥补了以往地面疲劳试验设计中只进行静力试验考核的不足之处，使得太阳电池翼发射之前经历了更加系统、完备的试验验证。

本发明的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法已经成功应用于载人航天工程SZ-8运输飞船太阳电池翼设计，经历了飞行试验考核，并已将该设计方法推广至921三期工程及其他卫星型号研制过程。

Claims (4)

1.一种太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用商业软件NASTRAN对太阳电池翼整翼在轨工况动态载荷进行分析，获得太阳电池翼各部组件所有在轨工况下的动态载荷数据；

步骤2，基于太阳电池翼整翼动载衰减规律，分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对每个太阳电池翼组件，综合该组件所有在轨工况，根据该组件每个工况下峰值载荷进行载荷分段，统计该组件各个工况在不同载荷分段下的振动次数以及总的振动次数，形成太阳电池翼各部组件独立的所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表；

步骤3、分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对太阳电池翼各部组件形成对应的考核试验载荷谱；

步骤4、分别在垂直电池翼及平行电池翼两个方向，对太阳电池翼各部组件形成对应的可靠性试验载荷谱。

2.如权利要求1所述的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，其特征在于，所述步骤2中，所述太阳电池翼整翼动载衰减规律包括模态阻尼比式(1)和对数衰减率式(2)：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{1}{N}\ln \frac{y_i}{y_{i+N}}---\left(2\right)$

其中，为阻尼比，δ为对数衰减率，N为响应幅值y_i与y_i+N间隔波形个数。

3.如权利要求1所述的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，其特征在于，形成考核试验载荷谱的依据是步骤2形成的所有在轨工况下分段载荷与加载次数矩阵表，所述考核试验载荷谱的横轴为加载次数，纵轴为对应的载荷，载荷量级由低到高施加。

4.如权利要求1所述的太阳电池翼地面疲劳试验载荷谱制定方法，其特征在于，形成可靠性试验载荷谱的依据是步骤3形成的考核试验载荷谱，所述可靠性试验载荷谱的横轴为加载次数，纵轴为对应的载荷，载荷量级由低到高施加，所述可靠性试验载荷谱在载荷量级上与所述考核试验载荷谱相同，加载次数为所述考核试验载荷谱的加载次数的2倍。