CN106599412B - 一种卫星运输力学环境评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种卫星运输力学环境评估方法：(1)获取卫星在鉴定级振动试验中的加速度时域信号；(2)获取卫星在运输过程中的加速度时域信号；(3)采用雨流计数法对鉴定级振动试验中的加速度时域信号进行统计，得到全循环与半循环及其幅值与均值；并按幅值与均值统计循环个数，填入雨流计数矩阵；(4)采用雨流计数法对运输过程中的加速度时域信号进行统计，得到全循环与半循环及其幅值与均值；并按幅值与均值统计循环个数，填入雨流计数矩阵；(5)对比上述两个雨流计数矩阵，相同幅值的循环总数直接相除，不同幅值的循环则通过加速等效原理进行换算，最终得到运输力学环境对卫星的影响值。本发明的评估方法，计算简单，工程实现容易。

Description

一种卫星运输力学环境评估方法
技术领域
本发明涉及一种适用于卫星运输力学环境评估的方法，属于为卫星性能评估的技术领域。
背景技术
卫星研制的整个寿命期面临各种环境，包括地面环境、发射环境、空间运行环境、返回环境等，最受关注的是主动段随运载火箭起飞至入轨所经历的发射环境。随着型号高精度、高可靠、长寿命需求的提出，卫星研制开始关注寿命期内在轨微振动环境、地面储存与运输环境等其他环境的影响。
运输力学环境对卫星影响的评估，目前通常是依赖卫星包装箱自身减振系统配置的记录设备获取运输过程的加速度时域信号，然后统计其峰值，并与减振要求或与基线卫星、同平台卫星的运输环境进行对比；或者安装专用设备获取运输过程的应变时域信号，然后基于Miner法则根据材料S-N曲线进行损伤评估。
损伤评估通常按累积损伤等效进行评估，这是以材料破坏理论为基础的等效。在材料经受交变载荷时，每个加载循环都会在材料内部造成损伤。当损伤积累到一定量时，材料被破坏。当材料受多种应力交变载荷作用时，Miner法则是估计材料累积损伤最常用的方法，该法则假定材料损伤程度正比于每次应力循环作用的能量，料极限损伤量为常数，是与加载次序无关的单次循环载荷损伤量的累积，如公式2所示。
式中，D为消耗的寿命，ni为经受应力Si的载荷循环次数，Ni为材料S-N曲线上对应的破坏循环次数，m为不同的应力值数量。
上述已有方法存在的缺点主要体现在：(1)将卫星包装箱记录设获取的时域信号峰值与减振要求或与基线卫星、同平台卫星的运输环境进行对比分析，只能定性估计而无法精确量化其影响。(2)现有损伤分析的前提是需已知材料的S-N曲线，且获取了某时间历程的应力测量值。然而，客观情况是卫星运输及振动试验中的测量均为加速度信号a，且卫星是一个复杂系统，并没有对应于S的N的足够数据，因此无法直接应用Miner法则根据S-N曲线进行评估。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，在不改变现有的卫星运输及振动试验方式的情况下，提供一种对运输力学环境进行量化评估的方法，该方法计算较简单，工程实现容易。
本发明的技术解决方案：一种适用于卫星运输力学环境评估的方法，步骤如下：
(1)获取卫星在鉴定级振动试验中的加速度时域信号；
(2)获取卫星在运输过程中的加速度时域信号；
(3)采用雨流计数法对步骤(1)中的加速度时域信号进行峰谷值检测与循环提取，得到按雨流计数的全循环与半循环；
(4)提取步骤(3)中所有循环中，每个循环最大幅值与最小幅值的差值，即每个循环的幅值，与最大幅值与最小幅值的均值，即每个循环的均值；
(5)将幅值作为横坐标，起始值设为0，间距设为等步长；将均值作为纵坐标，起始值设为0，间距设为等步长；统计步骤(4)中所有全循环与半循环符合幅值、均值的循环的个数，形成鉴定级振动试验加速度雨流计数图，将计数图中的值填入计数矩阵；
(6)采用雨流计数法对步骤(2)中的加速度时域信号进行峰谷值检测与循环提取，得到按雨流计数的全循环与半循环；
(7)提取步骤(6)中所有循环中，每个循环最大幅值与最小幅值的差值，即每个循环的幅值，与最大幅值与最小幅值的均值，即每个循环的均值；
(8)将幅值作为横坐标，起始值设为0，间距设为等步长；将均值作为纵坐标，起始值设为0，间距设为等步长；统计步骤(7)中所有全循环与半循环符合幅值、均值的循环的个数，形成运输过程加速度雨流计数图，将计数图中的值填入计数矩阵；
(9)将步骤(5)中矩阵按列将每列的元素进行相加，得到每一幅值下的循环的总数；
(10)将步骤(8)中矩阵按列将每列的元素进行相加，得到每一幅值下的循环的总数；
(11)将步骤(10)中每一幅值下的循环的总数分别与步骤(9)中对应的相同幅值下的循环的总数求比；不同幅值下的循环则通过加速等效原理进行换算，最终得到运输环境对卫星的影响值。
所述的卫星在鉴定级振动试验中的加速度时域信号为：将卫星放置在振动台上，以设定的鉴定级试验量级进行振动，测得卫星安装处在试验中的实时加速度，形成的曲线，即时域谱；
所述的鉴定级为：设计要求对应量级的基础上，增加规定的设计余量；
所述的卫星在运输过程中的加速度时域信号为：卫星放置在卫星包装箱内，随包装箱从出发地到目的地过程，测得卫星安装处的实时加速度，形成的曲线，即时域谱；
所述的雨流计数法为：Matsuiki和Endo提出的经典双参数计数方法，又称塔顶法，其主要功能是将实测载荷历程简化为若干的载荷循环，并记录了每一载荷循环的幅值与均值。具体计数规则为：(1)雨流的起点依次从峰值位置的内侧边沿斜坡往下流；(2)雨流从某一个峰值点开始流动，当遇到比其起始峰值更大的峰值时要停止流动；(3)雨流遇到来自上面流下的雨流时，也必须停止流动；(4)按以上过程取出所有全循环，并记下每个循环的幅值与均值；(5)再按正负斜率取出所有半循环，按雨流法第二阶段计数法则配成全循环，并记下各自的幅值与均值。
所述的加速等效原理为：基于Miner法则与材料S-N曲线，解决试验中不同幅值振动应力的等效关系，通常用于以提高试验量级来缩短试验时间，不同类型振动环境其等效关系有所区别。以美军标MIL-STD-810中提及的不同正弦振动加速度峰值，其时间上的等效关系式为例，如公式1所示。
T2/T1＝(g1/g2)6 (1)
式中，T1与T2表示振动量级为g1与g2对应的作用时间，g1与g2分别表示两种不同正弦振动加速度峰值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用无阻尼弹性体系统的振动位移方程，结合运输频率特性确定的特点，将Miner法则评估产品损伤所需的S-N曲线转换为a-N曲线，克服了卫星无法进行S-N曲线测试的难点。
(2)本发明利用卫星鉴定级振动试验即产品寿命极限的特点，直接采用鉴定级振动试验中加速度时域信号作为卫星的极限，解决卫星a-N曲线来源问题，无需额外进行专项试验。
(3)本发明可在不改变卫星现有的运输及卫星振动试验方式的情况下，实现对运输力学环境进行量化评估，可解决以往无法客观评价卫星在运输过程所受到的影响的难题。该方法计算较简单，工程实现容易。
附图说明
图1为本发明卫星运输力学环境评估流程图；
图2为某卫星随机振动试验Z向时域加速度雨流计数瀑布图；
图3为某卫星随机振动试验Z向时域加速度雨流计数矩阵；
图4为某卫星正弦振动试验Z向时域加速度雨流计数瀑布图；
图5为某卫星正弦振动试验Z向时域加速度雨流计数矩阵；
图6为某卫星运输过程Z向时域加速度雨流计数瀑布图；
图7为某卫星运输过程Z向时域加速度雨流计数矩阵。
具体实施方式
本发明的基本思路为：提出一种卫星运输力学环境评估方法：(1)获取卫星在鉴定级振动试验中的加速度时域信号；(2)获取卫星在运输过程中的加速度时域信号；(3)采用雨流计数法对鉴定级振动试验中的加速度时域信号进行统计，得到全循环与半循环及其幅值与均值；并按幅值与均值统计循环个数，填入雨流计数矩阵；(4)采用雨流计数法对运输过程中的加速度时域信号进行统计，得到全循环与半循环及其幅值与均值；并按幅值与均值统计循环个数，填入雨流计数矩阵；(5)对比上述两个雨流计数矩阵，相同幅值的循环总数直接相除，不同幅值的循环则通过加速等效原理进行换算，最终得到运输力学环境对卫星的影响值。本发明的评估方法，计算简单，工程实现容易。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本方法首先提出两个假定，首先，无阻尼弹性体系统的振动位移方程如公式3所示，则可求得该系统的振动加速度如公式4所示。
x(t)＝A·sin(ωt+φ) (3)
根据公式(4)，在频率确定的情况下，加速度响应与位移成线性关系，与应力值正相关，利用该原理，评估所需的S-N曲线可转换为a-N曲线。
其次，假定在经历一次完整的鉴定级振动试验后，产品接近其疲劳极限，即可将鉴定级振动试验中的a-N曲线作为产品的极限曲线。因此，运输过程产生的影响可转化为折算运输过程相对鉴定级振动试验损伤的比例。
基于上述两个假定，采用雨流计数法对振动试验过程及运输过程的加速度时域信号进行循环计数，得到振动试验及运输过程的加速度雨流计数矩阵，然后将二者进行对比，对于量级不同的循环，可利用加速试验等效原理进行折算，最终完成运输力学环境对于卫星的影响评估。
如图1所示，本发明的具体步骤如下：
(1)卫星进行鉴定级振动试验时，在卫星与夹具连接处安装加速度传感器，并记录试验中该传感器的时域信号，包括正弦振动时域信号与随机振动时域信号；
(2)卫星进行运输时，在卫星包装箱减振系统上端靠近星箭连接处，安装加速度传感器，并记录运输过程中该传感器的时域信号；
(3)采用雨流计数法对步骤(1)中的加速度时域信号进行峰谷值检测与循环提取，得到按雨流计数的全循环与半循环。全循环指从某个波峰到下一个波谷再到下一个波峰或从某个波谷到下一个波峰再到下一个波谷的时间历程，半循环则指从某个波峰到下一个波谷或者某个波谷到下一个波峰的时间历程；
(4)计算步骤(3)中所有循环中，每个循环的幅值，即每个循环最大幅值与最小幅值的差值；与每个循环的均值，即最大幅值与最小幅值的均值；
(5)将幅值作为横坐标，起始值设为0，间距设为等步长；将均值作为纵坐标，起始值设为0，间距设为等步长；对步骤(4)中所有循环进行幅值、均值统计，即，对于步骤(4)中的某个全循环，则在其幅值与均值对应的坐标位置上加1，如果对于步骤(4)中的某个半循环，则在其幅值与均值对应的坐标位置加0.5，从而得到鉴定级振动试验加速度雨流计数矩阵，对其绘图，则得到鉴定级振动试验加速度雨流计数图；本例中，分别对正弦振动与随机振动试验Z向时域进行，正弦振动试验Z向时域加速度幅值步长取为0.1g，均值步长取为0.05g，雨流计数矩阵如图3所示，雨流计数瀑布图如图2所示；随机振动试验Z向时域加速度幅值步长取为1g，均值步长取为1g，雨流计数矩阵如图5所示，雨流计数瀑布图如图4所示；
(6)采用雨流计数法对步骤(2)中的加速度时域信号进行峰谷值检测与循环提取，得到按雨流计数的全循环与半循环。全循环指从某个波峰到下一个波谷再到下一个波峰或从某个波谷到下一个波峰再到下一个波谷的时间历程，半循环则指从某个波峰到下一个波谷或者某个波谷到下一个波峰的时间历程；
(7)计算步骤(6)中所有循环中，每个循环的幅值，即每个循环最大幅值与最小幅值的差值；与每个循环的均值，即最大幅值与最小幅值的均值；
(8)将幅值作为横坐标，起始值设为0，间距设为等步长；将均值作为纵坐标，起始值设为0，间距设为等步长；对步骤(7)中所有循环进行幅值、均值统计，即，对于步骤(7)中的某个全循环，则在其幅值与均值对应的坐标位置上加1，如果对于步骤(7)中的某个半循环，则在其幅值与均值对应的坐标位置加0.5，从而得到运输过程加速度雨流计数矩阵，对其绘图，则得到运输过程加速度雨流计数图；本例中，运输过程Z向(垂直于地面的方向，垂直向下为正)时域加速度幅值步长取为0.1g，均值步长取为0.05g，雨流计数矩阵如图7所示，雨流计数瀑布图如图6所示；
(9)将步骤(5)中矩阵按列将每列的元素进行相加，得到每一幅值下的循环的总数；
(10)将步骤(8)中矩阵按列将每列的元素进行相加，得到每一幅值下的循环的总数；
(11)将步骤(10)中每一幅值下的循环的总数与步骤(9)中的循环的总数进行对比。幅值相同的直接进行相除，幅值不同的则根据等效加速原理折算成相同幅值后，把相同幅值的循环的总数与步骤(9)中的循环的总数相除，最终得到运输力学环境相对于鉴定级振动试验影响的比例，根据要求的阈值可以对卫星运输力学环境进行评估，当超过要求的阈值则证明运输对卫星寿命影响有限，有影响；当未超过要求的阈值则证明运输对卫星寿命没影响，要求的阈值可以取1％～5％。当阈值取1％时，本示例中运输力学环境相对于振动试验影响的比例为0.31％，从而表明则证明运输对卫星寿命影响有限，此次运输对卫星寿命影响有限。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种适用于卫星运输力学环境评估的方法，其特征在于步骤如下：
(1)获取卫星在鉴定级振动试验中的加速度时域信号；所述的卫星在鉴定级振动试验中的加速度时域信号为：将卫星放置在振动台上，以设定的鉴定级试验量级进行振动，测得卫星安装处在试验中的实时加速度，形成的曲线，即时域谱，所述的鉴定级为：设计要求对应量级的基础上，增加规定的设计余量；
(2)获取卫星在运输过程中的加速度时域信号；卫星在运输过程中的加速度时域信号为：卫星放置在卫星包装箱内，随包装箱从出发地到目的地过程，测得卫星安装处的实时加速度，形成的曲线，即时域谱；
(3)采用雨流计数法对步骤(1)中的加速度时域信号进行峰谷值检测与循环提取，得到按雨流计数的全循环与半循环；
(4)计算步骤(3)中所有循环中，每个循环最大幅值与最小幅值的差值，即每个循环的幅值，与最大幅值与最小幅值的均值，即每个循环的均值；
(5)将幅值作为横坐标，起始值设为0，间距设为等步长；将均值作为纵坐标，起始值设为0，间距设为等步长；统计步骤(4)中所有全循环与半循环符合幅值、均值的循环的个数，填入鉴定级振动试验加速度雨流计数矩阵，绘图则得到鉴定级振动试验加速度雨流计数图；
(6)采用雨流计数法对步骤(2)中的加速度时域信号进行峰谷值检测与循环提取，得到按雨流计数的全循环与半循环；
(7)计算步骤(6)中所有循环中，每个循环最大幅值与最小幅值的差值，即每个循环的幅值，与最大幅值与最小幅值的均值，即每个循环的均值；
(8)将幅值作为横坐标，起始值设为0，间距设为等步长；将均值作为纵坐标，起始值设为0，间距设为等步长；统计步骤(7)中所有全循环与半循环符合幅值、均值的循环的个数，填入运输过程加速度雨流计数矩阵，绘图则得到运输过程加速度雨流计数图；
(9)将步骤(5)中矩阵按列将每列的元素进行相加，得到每一幅值下的循环的总数；
(10)将步骤(8)中矩阵按列将每列的元素进行相加，得到每一幅值下的循环的总数；
(11)将步骤(10)中每一幅值下的循环的总数分别与步骤(9)中对应的相同幅值下的循环的总数求比；将步骤(10)中每一幅值下的循环的总数分别与步骤(9)中对应的相同幅值下的循环的总数求比后，不同幅值下的循环则能够通过加速等效原理进行换算，最终得到运输环境对卫星的影响值。
2.根据权利要求1所述的一种适用于卫星运输力学环境评估的方法，其特征在于：所述的雨流计数法为：Matsuiki和Endo提出的经典双参数计数方法，又称塔顶法，功能是将实测载荷历程简化为若干的载荷循环，并记录了每一载荷循环的幅值与均值，具体计数规则为：(1)雨流的起点依次从峰值位置的内侧边沿斜坡往下流；(2)雨流从某一个峰值点开始流动，当遇到比其起始峰值更大的峰值时要停止流动；(3)雨流遇到来自上面流下的雨流时，也必须停止流动；(4)按以上过程取出所有全循环，并记下每个循环的幅值与均值；(5)再按正负斜率取出所有半循环，按雨流法第二阶段计数法则配成全循环，并记下各自的幅值与均值。
3.根据权利要求1所述的一种适用于卫星运输力学环境评估的方法，其特征在于：所述的加速等效原理为：基于Miner法则与材料S-N曲线，解决试验中不同幅值振动应力的等效关系，用于以提高试验量级来缩短试验时间，不同类型振动环境其等效关系有所区别，对于不同正弦振动加速度峰值，其时间上的等效关系式如下：
T2/T1＝(g1/g2)6 (1)
式中，T1与T2表示振动量级为g1与g2对应的作用时间，g1与g2分别表示两种不同正弦振动加速度峰值。
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