CN105953990B - 一种用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法 - Google Patents
一种用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法,涉及航天器技术领域,能够极大地降低测定实验中的材料成本和生产成本。本发明包括:提取影响因素数据,并根据影响因素数据生成变化水平值;针对每一种支架试件和配重块的组合获取配重块对振动台台面的加速度运动传递函数的分析频带内的支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比,并根据支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比得到支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值;根据所获取的支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值,得到整个预示计算公式和预示误差范围;根据所获取的预示计算公式和预示误差范围,筛选得到待测试的样品方案。本发明适用于支架的阻尼测试。
Description
技术领域
本发明涉及航天器技术领域,尤其涉及一种用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法。
背景技术
在航天器产品的总体设计中,支架主要作为结构件对关键电子设备起到安装和支撑的作用,同时航天器壳体的基础振动也会通过支架传递到电子设备,影响设备的正常工作甚至破坏电子设备。因此设计航天器产品时,必须考虑使安装在支架上的各类电子设备振动响应值小于设备所能承受的极限值。
支架作为传递振动能量的主要途径,其阻尼特性对设备的振动响应有着至关重要的影响作用。由于阻尼反映的是一种系统能量耗散的机制,与结构的具体几何形状、使用工况等诸多因素有关,只能通过实验才能准确获得。为了避免在实际工作中,由于支架结构的阻尼特性的不确定性而造成的事故和问题,采用的是类似材料学中的穷举式的测定方式,即对于支架结构的阻尼特性的实验测定主要还是采用较为保守的穷举法实验所有可能的阻尼特性,这就需要依据所有可能的阻尼特性设计并制造大量的用于实验的支架。并且一旦支架的设计出现了变化,则需要重新进行实验。导致目前的支架结构的阻尼特性的测定实验往往需要耗费大量的材料和生产成本。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法,能够极大地降低测定实验中的材料成本和生产成本。
为达到上述目的,本发明的实施例采用如下技术方案:
提取影响因素数据,并根据所述影响因素数据生成变化水平值,所述影响因素数据用于表示阻尼特性的主要影响因素,所述变化水平值至少包括:支架结构的几何尺寸、配重重量和安装的边界条件;
读取所述正交实验表,并依据所述正交实验表中的参数组合筛选支架试件和配重块,其中,所述正交实验表包括根据所述变化水平值获取指定数量的参数组合,一个参数组合对应一种支架试件和配重块的组合;
针对每一种支架试件和配重块的组合,通过测试配重块对振动台台面的加速度运动传递函数,识别分析频带内支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比,并根据支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比得到支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值,其中,所述分析频带划分为至少两个连续的小频带区间,若一个小频带区间中存在共振模态频率,则提取这一个小频带区间对应的结构阻尼作为对应的模态阻尼比;
根据所获取的支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值,得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式和预示误差范围;
根据所获取的预示计算公式和预示误差范围,筛选得到待测试的样品方案。
本发明实施例提供的用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法,针对航天器支架结构的阻尼特性可能的影响因素,比如结构尺寸、连接边界、配重等,通过结合振动实验和动力学参数识别技术,对实验数据进行多元二次回归分析,实现了对航天器中常用的支架结构阻尼特性进行有效预示,并根据预示结果有选择的筛选出待测试的样品方案,实现了为设计阶段的航天器产品动力学仿真和计算提供支架阻尼参数,提高有限元模型的准确性。相对于现有技术中采用类似材料学中的穷举式的测定方式,能够极大地降低测定实验中的材料成本和生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,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的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1a为本发明实施例提供的一种方法流程图;
图1b为本发明实施例提供的具体实例中的一种支架结构形式的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种阻尼测试实验台的架构示意图;
图3为本发明实施例提供的具体实例中的支架加速度传递函数曲线示意图;
图4为本发明实施例提供的具体实例中的阻尼实测值与预示值的对比示意图;
图5为本发明实施例提供的具体实例中的全频带阻尼实测值与预示结果的对比示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法,如图1a所示,包括:
S1、提取影响因素数据,并根据所述影响因素数据生成变化水平值。
其中,所述影响因素数据用于表示阻尼特性的主要影响因素,所述变化水平值至少包括:支架结构的几何尺寸、配重重量和安装的边界条件。
S2、读取所述正交实验表,并依据所述正交实验表中的参数组合筛选支架试件和配重块。
其中,所述正交实验表包括根据所述变化水平值获取指定数量的参数组合,一个参数组合对应一种支架试件和配重块的组合。
S3、针对每一种支架试件和配重块的组合,通过测试配重块对振动台台面的加速度运动传递函数,识别分析频带内支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比,并根据支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比得到支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值。
其中,所述分析频带划分为至少两个连续的小频带区间,若一个小频带区间中存在共振模态频率,则提取这一个小频带区间对应的结构阻尼作为对应的模态阻尼比。例如:如图2所示为本实施例可以采用的一种阻尼测试实验台的架构示意图。其中,振动台提供基础激励,支架通过夹具安装在振动台台面上,配重块与支架用螺栓连接。在配重块的中心位置,以及支架与夹具连接的铆钉孔位置布置加速度传感器,传感器信号线接至振动控制仪和动态信号采集仪。具体的,振动台和功率放大器为UD公司生产的H560B-16电动式振动台设备,振动控制仪为美国SD公司生产的Jaguar多通道振动控制仪,VXI数采系统为Agilent公司生产的16通道动态信号采集仪VT1432,加速度传感器为B&W公司生产的ICP型加速度计,灵敏度100.2mv/g。以附图2的形式完成支架、配重块和振动台夹具的组装。同时完成加速度传感器、数采系统和振动控制仪的连线和安装。分析频带可以设定为20-2000Hz。
S4、根据所获取的支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值,得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式和预示误差范围。
S5、根据所获取的预示计算公式和预示误差范围,筛选得到待测试的样品方案。
在本实施例中,S4所述根据所获取的支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值,得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式和预示误差范围,具体可以包括以下方式:
提取支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值;针对每一个细化频带区间的阻尼特性实测值:将细化频带区间的阻尼特性实测值设为因变量,并通过多元二次回归分析方法建立该频带区间的阻尼特性预示计算公式以及预示误差范围;利用所有细化频带区间的阻尼预示计算公式以及预示误差范围,得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式以及预示误差范围。例如:如图3所示的支架加速度传递函数曲线。安装完毕的支架结构实施随机基础激励,振动量级为总均方根值1g的平直谱。VXI数采系统测试配重块对振动台台面的加速度运动传递函数,并采用正交多项式拟合的方法识别分析频带内的各阶共振模态频率和模态阻尼值。表1为该支架共振模态频率和模态阻尼值的识别结果。
表1
其中,20-2000Hz分析频带分成20个连续小频带区间,如20-100Hz、100-200Hz、……、1900-2000Hz。若某个小频带区间中存在共振模态频率,则该频带区间内的结构阻尼就设为对应的模态阻尼值。若没有共振模态频率,则该频带区间的结构阻尼则取相邻区间的阻尼值,或进行线性插值。如表2即为本实例测试号1支架结构按频带区间分布的阻尼特性数值。
表2
其中,一共可以得到27组各实验工况下支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值。将影响因素设为多元变量,分别记x1为支架长度,x2为宽度,x3为高度,x4为配重质量,x5和x6为边界条件。上述变量的取值为三个水平值,其中x5和x6为虚拟变量,与边界条件的取值关系如表3所示。
x5 | x6 | |
全部铆接 | 0 | 0 |
铆靠近边缘4孔 | 1 | 0 |
铆靠近中线4孔 | 0 | 1 |
表3
其中,将某个细化频带区间阻尼特性的27个实测值设为因变量y。本实例以200-300Hz频带区间为例,如表4所示的200-300Hz频带区间支架阻尼特性数据表。设置显著性水平为0.05,根据多元二次回归分析方法可得该频带区间的阻尼预示计算公式为
y=-6.5+0.038x1+0.0716x2-3.2×10-4x1x2-0.012x1x5+0.044x3x5-0.045x3x6+0.061x4x5+0.1x4x6
该计算公式的预示误差范围为±0.78。
表4
直至完成建立所有细化频带区间的阻尼预示计算公式以及预示误差范围,由此得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式以及预示误差范围。为了验证上述建立的支架阻尼特性预示计算公式的准确性,本实例另取9组不同于已有的实验工况进行支架结构阻尼测试,表5为验证实验中每个测试序号所对应的影响因素水平值。
表5
在本实施例的优选方案中,所述频带区间的阻尼特性预示计算公式为
y=-6.5+0.038x1+0.0716x2-3.2×10-4x1x2-0.012x1x5+0.044x3x5-0.045x3x6+0.061x4x5+0.1x4x6
预示误差范围为±0.78。
在本实施例的优选方案中,所述变化水平值包括:
支架结构的长度、宽度和高度,其中,长度包括172.5mm、230mm和287.5mm,宽度包括91.5mm、122mm和152.5mm,高度包括28.125mm、37.5mm和46.875mm;所述配重质量包括4.5kg、6kg和10.5kg;所述边界条件包括:全部铆接、铆靠近中线4孔和铆靠近边缘4孔。例如:如图1b所示的航天器产品中常用的一种支架结构形式,支架上端安装电子仪器等设备,下端用铆钉铆接在航天器的壳体上。支架的几何尺寸、设备重量和安装方式由航天器产品设计的实际需要进行确定,从而造成不同的使用场合下同一类型支架结构的阻尼特性不一致的情况。具体选取五个影响因素,分别为代表支架结构几何尺寸的长度A、宽度B、高度H,代表设备重量的配重质量,以及安装的边界条件,所选取的影响因素可以设置三个变化水平输入并存储在计算机设备中,具体数值如表6所示。
表6
基于表6所示的变化水平值可以进一步建立“五因素三水平正交实验表”,并按照正交实验表安排实验测试序号,如表7所示。
表7
在本实施例中,试件材料可以采用LY12,加工尺寸参考附图1b,尺寸6、尺寸7、尺寸10要与实验测试序号中的长、高、宽三个影响因素变化水平值相对应。配重块材料采用Q235,质量与实验测试序号中的配重质量相对应。
上述方法在本实施例的具体应用中,可以包括以下由计算机设备执行的流程:通过计算机设备选取阻尼特性的主要影响因素,其中包括表示支架结构几何尺寸的长、宽、高,安装的设备重量,以及安装的边界条件,并针对选取的影响因素设置合适的变化水平值。其中,计算机设备可以依照预设规则设置合适的变化水平值。再根据变化水平值建立正交实验表,并按照正交实验表安排实验测试序号,并将正交实验表的表格数据存储至数据库或者计算机设备的存储单元中。
进一步的,计算机设备与抓取机构相连,并根据计算机设备中存储有针对加工好的一批支架试件和代表设备重量的配重块的尺寸、重量等数据,控制抓取机构从存储箱中抓取预先加工好的一批支架试件和代表设备重量的配重块。其中支架试件的几何尺寸与实验测试序号中的长、宽、高三个影响因素变化水平相对应,配重块的质量与实验测试序号中的设备重量相对应。从而选出合适尺寸的支架试件和合适重量的配重块,并按照当前的测试序号所要求的安装边界条件,将支架安装在振动台的台面上,其中配重块与支架用螺栓链接。其中,将支架安装在振动台的台面上的流程可以由技术人员手工执行,也可以通过与计算机设备相连的用于自动安装的设备执行。再根据动力学仿真的分析频带要求,通过振动台对安装完毕的支架结构实施基础随机激励,测试配重块对振动台台面的加速度运动传递函数,并识别分析频带内支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比。之后将分析频带细化成多个连续的小频带区间。若某个小频带区间中存在共振模态频率,则该频带区间内的结构阻尼就设为对应的模态阻尼比。若没有共振模态频率,则该频带区间的结构阻尼则取相邻频带区间的阻尼值,或进行线性插值。重复该流程直至全部实验测试序号完成,由此得到各实验工况下支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值。
计算机设备将各个影响因素设为多元变量,影响因素变化水平设为多元变量的对应取值,将各个细化频带区间的阻尼特性实测值设为因变量,按照多元二次回归分析方法建立该频带区间的阻尼特性预示计算公式以及预示误差范围。直至完成建立所有细化频带区间的阻尼预示计算公式以及预示误差范围,由此得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式以及预示误差范围。
计算机设备对得到的阻尼特性预示计算公式的可靠性进行验证。对影响因素取另外一组水平值,该水平值所代表的支架验证实验的测试工况应当不同于已有的实验测试工况,并获得验证实验测试工况下支架结构在分析频带内的阻尼特性的实测值。再将影响因素的水平值代入到建立的阻尼特性预示计算公式,得到验证实验测试工况下支架结构阻尼的预示值和预示范围。若阻尼实测值在预示范围之内,则验证了阻尼特性预示计算公式的可靠性,否则调整影响因素的变化水平值。例如:如图4所示的,为200-300Hz频段内9个阻尼实测值与预示值的对比示意图,图中○表示阻尼实测值,竖线表示阻尼预示范围,从图中可知阻尼实测值均在预示范围之内。如图5所示的,为测试序号为1的支架在20-2000Hz全频带阻尼实测值与预示结果的对比,图中○表示阻尼实测值,竖线表示阻尼预示范围,从图中可知阻尼实测值均在预示范围之内。具体的,将影响因素的水平值代入到建立的阻尼特性预示计算公式,可得9个验证实验支架结构阻尼的预示值和预示范围。将实测的阻尼值与预示结果进行对比,如附图4所示在200-300Hz频带内,9个实测的支架阻尼值均在预示范围之内,表明得到的200-300Hz支架阻尼预示计算公式是可信的。附图5是验证实验中序号为1的支架在20-2000Hz全频带阻尼实测值和预示结果的对比,图中显示实测值均在预示范围之内,表明所得到的支架阻尼预示计算公式是可信的。
本发明实施例提供的用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法,针对航天器支架结构的阻尼特性可能的影响因素,比如结构尺寸、连接边界、配重等,通过结合振动实验和动力学参数识别技术,对实验数据进行多元二次回归分析,实现了对航天器中常用的支架结构阻尼特性进行有效预示,并根据预示结果有选择的筛选出待测试的样品方案,实现了为设计阶段的航天器产品动力学仿真和计算提供支架阻尼参数,提高有限元模型的准确性。相对于现有技术中采用类似材料学中的穷举式的测定方式,能够极大地降低测定实验中的材料成本和生产成本。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于设备实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory,RAM)等。以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法,其特征在于,包括:
提取影响因素数据,并根据所述影响因素数据生成变化水平值,所述影响因素数据用于表示阻尼特性的主要影响因素,所述变化水平值至少包括:支架结构的几何尺寸、配重重量和安装的边界条件;
读取正交实验表,并依据所述正交实验表中的参数组合筛选支架试件和配重块,其中,所述正交实验表包括根据所述变化水平值获取指定数量的参数组合,一个参数组合对应一种支架试件和配重块的组合;
针对每一种支架试件和配重块的组合,通过测试配重块对振动台台面的加速度运动传递函数,识别分析频带内支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比,并根据支架结构的各阶共振模态频率和模态阻尼比得到支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值,其中,所述分析频带划分为至少两个连续的小频带区间,若一个小频带区间中存在共振模态频率,则提取这一个小频带区间对应的结构阻尼作为对应的模态阻尼比;
根据所获取的支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值,得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式和预示误差范围,其中,将各个影响因素设为多元变量,影响因素变化水平设为多元变量的对应取值,将各个细化频带区间的阻尼特性实测值设为因变量,按照多元二次回归分析方法建立该频带区间的阻尼特性预示计算公式以及预示误差范围;
根据所获取的预示计算公式和预示误差范围,筛选得到待测试的样品方案。
2.根据权利要求1所述的用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法,其特征在于,所述根据所获取的支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值,得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式和预示误差范围,包括:
提取支架结构按细化频带区间分布的阻尼特性实测值;
针对每一个细化频带区间的阻尼特性实测值:将细化频带区间的阻尼特性实测值设为因变量,并通过多元二次回归分析方法建立该频带区间的阻尼特性预示计算公式以及预示误差范围;
利用所有细化频带区间的阻尼预示计算公式以及预示误差范围,得到整个分析频带内阻尼特性的预示计算公式以及预示误差范围。
3.根据权利要求1所述的用于航天器支架的结构阻尼特性的分析方法,其特征在于,所述变化水平值包括:
支架结构的长度、宽度和高度,其中,长度包括172.5mm、230mm和287.5mm,宽度包括91.5mm、122mm和152.5mm,高度包括28.125mm、37.5mm和46.875mm;
所述配重质量包括4.5kg、6kg和10.5kg;
所述边界条件包括:全部铆接、铆靠近中线4孔和铆靠近边缘4孔。
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