CN105784303B - 基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法 - Google Patents

基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法。该方法包括电流传感器的安装步骤；振动试验系统运动部分质量的确定步骤；振动试验设备验收及电流信息的获取步骤；基于推力计算方法为F＝MA的控制包络确定步骤；基于推力计算方法为F＝BIL的控制包络确定步骤；最终控制包络的确定步骤。本发明的航天器产品控制包络确定方法既充分发挥了振动试验设备的推力能力，又确保了航天器产品在试验过程中不发生中断，使产品能经受最大限度的力学环境试验考核。

Description

基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法
技术领域
本发明属于航天器力学环境试验领域，具体涉及一种基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法。
背景技术
随着中国航天技术的不断发展，研制的各类新型航天器产品逐渐诞生。这类新型航天器的特点是尺寸大、结构复杂，分系统繁多。为确保航天器的发射成功及在轨的正常运行，航天器的部组件、各分系统及整器产品均需在振动试验设备上进行力学环境试验的考核。
然而有些大型航天器部组件产品质量大，验收或鉴定试验量级高，现有的振动台推力无法满足其力学试验需求，通常采用降低验收或鉴定试验量级的方式来对产品进行考核。如果验收或鉴定试验量级降低太多，航天器产品将考核不充分，存在严重的欠试验；如果验收或鉴定试验量级降低太少，航天器产品试验由于振动试验设备推力不够导致试验发生中断，存在产品经历冲击的风险。
为定量计算产品验收或鉴定试验量级下降值，寻求航天器产品力学试验的控制包络，本文提出了一种基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法。该方法既能充分发挥振动试验设备的推力能力，又能确保航天器产品在试验过程中不发生中断，使产品经受最大限度的力学环境试验考核。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法以使航天器产品经受最大限度的力学环境试验考核，并能防止和避免试验中断问题的产生。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法，包括以下步骤：
(1)电流传感器的安装。该步骤具体为在振动台台体与功放之间的正极或负极电缆中安装一个电流传感器。电流传感器安装位置通常靠近功放系统或振动台动圈附近。电流传感器的测量上限为功放所能提供最大电流的1.5倍。
(2)振动试验系统运动部分质量的确定。该步骤具体为确定振动试验系统垂直方向运动部分的质量和水平方向运动部分的质量。振动试验系统的运动部分主要包括动圈、扩展台、水平滑台及轴承运动部件、连接螺钉等。
(3)振动试验设备垂直向验收及电流信息的获取。该步骤具体为按制造商提供的垂直向正弦验收包络幅频曲线对振动试验设备进行验收，测量电流传感器反馈的电流幅频曲线；按制造商提供的垂直向随机验收包络幅频曲线对振动试验设备进行验收，测量电流传感器反馈的电流均方根值。
(4)基于推力计算方法为F＝MA的垂直向控制包络确定。其中M为垂直向运动部分的总质量；A为振动加速度值。该步骤需根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络。正弦包络主要由航天器产品的质量、垂直向振动台试验系统运动部分质量、垂直向正弦试验能达到的验收包络幅频曲线三者确定；随机包络主要由航天器产品的质量、垂直向振动台试验系统运动部分质量、垂直向随机试验能达到的验收均方根值三者确定。
(5)基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向控制包络确定。其中B为振动台体内励磁线圈产生的磁场强度；I为振动台动圈中的电流值；L为振动台动圈的线圈长度。该步骤需根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络。
正弦包络确定：产品先进行一次低量级的正弦特征级试验，记录低量级试验时电流传感器反馈的幅频曲线。随后计算振动试验设备垂直向验收时电流幅频曲线和低量级试验电流幅频曲线两者的比值。该比值乘以低量级试验的加速度值即得垂直向试验控制包络。
随机包络确定：产品先进行一次低量级的随机预振试验，记录低量级试验时电流均方根值。随后计算振动试验系统垂直向验收时电流均方根值与此次低量级随机预振试验电流均方根值两者的比值。该比值乘以低量级试验的控制均方根值即得垂直向随机试验控制包络。
(6)垂直向最终控制包络区域的确定。
基于推力计算方法为F＝MA的垂直向正弦控制包络和基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向正弦控制包络两者的下限即为航天器产品垂直向正弦振动试验的最终安全控制包络。两个正弦控制包络的上限即为航天器产品垂直向正弦振动试验的最终可用控制包络。
基于推力计算方法为F＝MA的垂直向随机试验控制包络值和基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向随机试验控制包络值两者中的最小值即为航天器产品垂直向随机振动试验的最终安全控制包络；两个随机控制包络值的最大值即为航天器产品垂直向随机振动试验的最终可用控制包络。
(7)水平向最终控制包络区域的确定。
水平向航天器产品控制包络的确定参照步骤(3)至步骤(6)的顺序进行。需首先完成振动试验设备水平向验收及电流信息的获取步骤，获取设备在正弦和随机两项验收试验时的电流测试值；随后完成基于推力计算方法F＝MA，水平向控制包络的确定步骤，根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络；其次完成基于推力计算方法F＝BIL，水平向控制包络的确定步骤，根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络；最后完成水平向最终控制包络区域的确定步骤。
基于推力计算方法为F＝MA的水平向正弦控制包络和基于推力计算方法为F＝BIL的水平向正弦控制包络，两者的下限即为航天器产品水平向正弦振动试验的最终安全控制包络；两个正弦控制包络的上限即为航天器产品水平向正弦振动试验的最终可用控制包络；
基于推力计算方法为F＝MA的水平向随机试验控制包络值和基于推力计算方法为F＝BIL的水平向随机试验控制包络值两者中的最小值即为航天器产品水平向随机振动试验的最终安全控制包络；两个随机控制包络值的最大值即为航天器产品水平向随机振动试验的最终可用控制包络。
对于航天器正样产品，其力学试验控制包络建议采用上述方法确定的安全控制包络；对于航天器初样产品，其力学试验控制包络建议采用上述方法确定的可用控制包络。
本发明提供的一种基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法，从推力F＝MA和推力F＝BIL两个角度来确定航天器产品的安全控制包络和可用控制包络，用于指导航天器产品力学试验条件制定。该方法既充分发挥了振动试验设备的推力能力，又能航天器产品力学试验中断问题的产生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的电流传感器的安装位置及测量示意图；
其中，1－功放系统、2－振动台动圈、3－电流传感器、4－传感器电源、5－定值电阻、6－测量设备。
图2为本发明的振动试验设备垂直向正弦验收包络幅频曲线；
图3为本发明的振动试验设备按验收量级进行试验时电流传感器反馈的电流幅频曲线；
图4为本发明的基于推力计算方法为F＝MA的垂直向控制包络；
图5为本发明的低量级正弦特征试验加载幅频曲线；
图6为本发明的振动试验设备按低量级进行试验时电流传感器反馈的电流幅频曲线；
图7为本发明的振动试验设备按验收量级和低量级进行试验两者电流幅频曲线的传递函数；
图8为本发明的基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向控制包络；
图9为本发明的基于两种不同推力计算方法的垂直向控制包络汇总；
图10为本发明的垂直向安全控制包络；
图11为本发明的垂直向可用控制包络。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法作进一步的说明。
基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法包括如下步骤：
(1)电流传感器的安装。具体地，在振动台台体与功放之间的正极或负极电缆中安装一个电流传感器。电流传感器安装位置通常靠近功放系统或振动台动圈附近。电流传感器的测量上限为功放所能提供最大电流的1.5倍。电流传感器的输出信号一般为电流信号，需在输出端串入一个合适的定值电阻以电压的方式输出信号，并由测量设备进行测量。电流传感器的安装位置及测量示意图如图1所示。
(2)振动试验系统运动部分质量的确定。具体地，对于垂直向振动台试验系统，运动部分质量(MV)包括动圈(MA)、扩展台(ME)、连接螺钉(MVS)等零部件的质量之和，即
MV＝MA+ME+MVS (1)
对于水平向振动台试验系统，运动部分质量(MH)包括动圈(MA)、水平滑台及轴承运动部件(MS)、连接螺钉(MHS)等零部件的质量之和，即
MH＝MA+MS+MHS (2)
(3)振动试验设备垂直向验收及电流信息的获取。具体地，制造商应提供设备垂直向正弦试验能达到的验收包络幅频曲线(如图2所示)和随机试验能达到的验收均方根值量级AVRMax。按垂直向正弦验收包络幅频曲线对振动试验设备进行验收，测量电流传感器反馈的电流幅频曲线(如图3所示)，测量方式要求采用跟踪滤波的方式；按垂直向随机验收包络幅频曲线对振动试验设备进行验收，测量电流传感器反馈的电流均方根值IVRMax。
(4)基于推力计算方法为F＝MA的垂直向控制包络确定。
正弦包络确定：假设航天器产品的质量为MP，垂直向正弦试验能达到的验收包络幅频曲线中频率fi处对应的加速度为Ai。根据推力等效原则，在进行航天器产品垂直向正弦试验时频率fi处控制包络值为AVSPi，确定公式如下：
AVSPi＝MV×Ai/(MV+MP) (3)
在试验频率范围内航天器产品垂直向正弦试验的控制包络示意图如图4所示。从公式(3)可以看出，该曲线与垂直向正弦验收包络幅频曲线成比例关系。
随机包络确定：垂直向随机试验能达到的验收均方根值量级为AVRMax。根据推力等效原则，在进行航天器产品垂直向随机试验时控制包络值为AVRP，确定公式如下：
AVRP＝MV×AVRMax/(MV+MP) (4)
(5)基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向控制包络确定。
正弦包络确定：假设航天器产品的质量为MP，产品先进行一次低量级的正弦特征级试验，试验量级为Avsplow(通常选在0.1g至0.5g之间的平直谱)，频率范围小于振动试验系统垂直向验收的频率范围或与其一致(如图5所示)。记录低量级试验时电流传感器反馈的幅频曲线(如图6所示)。随后计算电流幅频曲线图3和图6的传递函数，即两者电流在各频率点的比值(如图7所示)。该比值乘以Avsplow即得垂直向试验控制包络(如图8所示)，确定公式如下：
AVSPi'＝Ivsmax×Avsplow/Ivsplow (5)
随机包络确定：假设航天器大型部组件产品的质量为MP，产品先进行一次低量级的随机预振试验，试验均方根值为AVRLow(通常选航天器产品随机验收试验量级的1/4)，频率范围通常与垂直向随机验收的频率范围一致。记录低量级试验时电流均方根值IVRLow。随后计算振动试验系统垂直向验收时电流均方根值与此次低量级随机预振试验电流均方根值两者的比值。该比值乘以AVRLow即得垂直向随机试验控制包络，确定公式如下：
AVRP’=IVRMax×AVRLow/IVRLow (6)
(6)垂直向最终控制包络区域的确定。
基于推力计算方法为F＝MA的垂直向正弦控制包络如图4所示；基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向正弦控制包络如图8所示。图9为基于两种推力计算方法的两条垂直向正弦控制包络曲线。两个正弦控制包络的下限即为航天器产品垂直向正弦振动试验的最终安全控制包络，如图10所示。两个正弦控制包络的上限即为航天器产品垂直向正弦振动试验的最终可用控制包络，如图11所示。
基于推力计算方法为F＝MA的垂直向随机试验控制包络值为AVRP；基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向随机试验控制包络值为AVRP'。两个随机控制包络值的最小值即为航天器产品垂直向随机振动试验的最终安全控制包络；两个随机控制包络值的最大值即为航天器产品垂直向随机振动试验的最终可用控制包络。
(7)水平向最终控制包络区域的确定。
水平向航天器产品控制包络的确定参照步骤(3)至步骤(6)的顺序进行。需首先完成振动试验设备水平向验收及电流信息的获取步骤，获取设备在正弦和随机两项验收试验时的电流测试值；随后完成基于推力计算方法F＝MA，水平向控制包络的确定步骤，根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络；其次完成基于推力计算方法F＝BIL，水平向控制包络的确定步骤，根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络；最后完成水平向最终控制包络区域的确定步骤。
基于推力计算方法为F＝MA的水平向正弦控制包络和基于推力计算方法为F＝BIL的水平向正弦控制包络，两者的下限即为航天器产品水平向正弦振动试验的最终安全控制包络；两个正弦控制包络的上限即为航天器产品水平向正弦振动试验的最终可用控制包络；
基于推力计算方法为F＝MA的水平向随机试验控制包络值和基于推力计算方法为F＝BIL的水平向随机试验控制包络值两者中的最小值即为航天器产品水平向随机振动试验的最终安全控制包络；两个随机控制包络值的最大值即为航天器产品水平向随机振动试验的最终可用控制包络。
对于航天器正样产品，其力学试验控制包络建议采用上述方法确定的安全控制包络；对于航天器初样产品，其力学试验控制包络建议采用上述方法确定的可用控制包络。
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 (5)

1.一种基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法，包括如下七个步骤：
步骤一：电流传感器的安装步骤，在振动台台体与功放之间的正极或负极电缆中安装一个电流传感器；
步骤二：振动试验系统运动部分质量的确定步骤，确定振动试验系统垂直方向运动部分的质量和水平方向运动部分的质量，其中振动试验系统的运动部分包括动圈、扩展台、水平滑台及轴承运动部件和连接螺钉；
步骤三：振动试验设备垂直向验收及电流信息的获取步骤，按制造商提供的垂直向正弦验收包络幅频曲线对振动试验设备进行验收，测量电流传感器反馈的电流幅频曲线；按制造商提供的垂直向随机验收包络幅频曲线对振动试验设备进行验收，测量电流传感器反馈的电流均方根值；
步骤四：基于推力计算方法F＝MA，垂直向控制包络的确定步骤，根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络：正弦包络为幅频曲线，随机包络为一均方根值，公式中M为垂直向运动部分的总质量；A为振动加速度值；
步骤五：基于推力计算方法F＝BIL，垂直向控制包络的确定步骤，该步骤需根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络，公式中B为振动台体内励磁线圈产生的磁场强度；I为振动台动圈中的电流值；L为振动台动圈的线圈长度；
步骤六：垂直向最终控制包络区域的确定步骤：
基于推力计算方法为F＝MA的垂直向正弦控制包络和基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向正弦控制包络，两者的下限即为航天器产品垂直向正弦振动试验的最终安全控制包络；两个正弦控制包络的上限即为航天器产品垂直向正弦振动试验的最终可用控制包络；
基于推力计算方法为F＝MA的垂直向随机试验控制包络值和基于推力计算方法为F＝BIL的垂直向随机试验控制包络值两者中的最小值即为航天器产品垂直向随机振动试验的最终安全控制包络；两个随机控制包络值的最大值即为航天器产品垂直向随机振动试验的最终可用控制包络；
步骤七：水平向最终控制包络区域的确定步骤：
水平向航天器产品控制包络的确定参照步骤三至步骤六的顺序进行：需首先完成振动试验设备水平向验收及电流信息的获取步骤，获取设备在正弦和随机两项验收试验时的电流测试值；随后完成基于推力计算方法F＝MA，水平向控制包络的确定步骤，根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络；其次完成基于推力计算方法F＝BIL，水平向控制包络的确定步骤，根据推力等效的原则确定正弦和随机两项包络；最后完成水平向最终控制包络区域的确定步骤；
基于推力计算方法为F＝MA的水平向正弦控制包络和基于推力计算方法为F＝BIL的水平向正弦控制包络，两者的下限即为航天器产品水平向正弦振动试验的最终安全控制包络；两个正弦控制包络的上限即为航天器产品水平向正弦振动试验的最终可用控制包络；
基于推力计算方法为F＝MA的水平向随机试验控制包络值和基于推力计算方法为F＝BIL的水平向随机试验控制包络值两者中的最小值即为航天器产品水平向随机振动试验的最终安全控制包络；两个随机控制包络值的最大值即为航天器产品水平向随机振动试验的最终可用控制包络。
2.如权利要求1所述的基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法，其特征在于，正弦包络确定为：产品先进行一次低量级的正弦特征级试验，记录低量级试验时电流传感器反馈的幅频曲线；随后计算振动试验设备垂直向验收时电流幅频曲线和低量级试验电流幅频曲线两者的比值；该比值乘以低量级试验的加速度值即得垂直向试验控制包络；
随机包络确定为：产品先进行一次低量级的随机预振试验，记录低量级试验时电流均方根值；随后计算振动试验系统垂直向验收时电流均方根值与此次低量级随机预振试验电流均方根值两者的比值；该比值乘以低量级试验的控制均方根值即得垂直向随机试验控制包络。
3.如权利要求1所述的基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法，其特征在于，所述电流传感器安装位置靠近功放系统或振动台动圈附近。
4.如权利要求1所述的基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法，其特征在于，所述电流传感器的测量上限为功放所能提供最大电流的1.5倍。
5.如权利要求1所述的基于振动试验设备能力的航天器产品控制包络确定方法，其特征在于，对于航天器正样产品，其力学试验控制包络建议采用上述步骤确定的最终安全控制包络；对于航天器初样产品，其力学试验控制包络建议采用上述步骤确定的最终可用控制包络。
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