CN107941441A - 确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法，通过分别建立在轨自由边界航天器和模拟自由边界航天器的有限元模型，进行模态分析和微振动动态响应分析，提取航天器的模态频率、模态振型和关键测点的微振动响应，再对获得的模态频率、模态振型和关键测点的微振动响应进行偏差对比分析，确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性和响应的影响。本发明实现了航天器地面微振动试验中，模拟在轨自由边界对航天器在轨动力学特性和动力学响应影响的定量评价，提高航天器地面微振动试验技术水平。

Description

确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法

技术领域

本发明属于航天器微振动试验技术领域，具体涉及一种航天器地面微振动试验时模拟在轨自由边界对航天器在轨动力学特性的影响的确定方法。

背景技术

微振动是指航天器在轨运行期间，星上转动部件高速转动、大型可控构件驱动机构步进运动、变轨调姿期间推力器点火工作、大型柔性结构进出阴影冷热交变诱发扰动等都会使星体产生一种幅值较小、频率较高的扰动响应。大多数航天器都存在着微振动扰动源，由于微振动力学环境效应幅值小、频率高，对大部分航天器不会产生明显影响，通常予以忽略。但随着军事侦察、预警以及民用卫星空间相机对空间分辨率和图像成像质量等要求的不断提高，微振动产生的扰振问题越来越突出，高精度卫星研制过程中必须在地面开展卫星微振动试验，在地面验证卫星在轨的成像质量是否受到微振动的严重影响。

由于卫星微振动发生在卫星在轨飞行期间，在地面进行卫星微振动试验时，为确保试验结果有效，必须在地面模拟卫星在轨自由飞行的失重状态，即在地面模拟卫星在轨的自由边界。 目前国内外都已经开展了高精度卫星的地面微振动试验，并在试验中普遍采取了在轨自由边界模拟技术和措施。美国的SDO(Solar Dynamics Observatory)卫星通过试验建立了整星微振动条件下的动力学模型，用以预示在轨微振动响应。试验过程中，整星底部采用低频气囊支撑，模拟在轨自由边界。ESA对激光通信中继卫星(ARTEMIS)进行了地面微振动测试，测试过程中采用低频支撑装置对整星进行底部支撑，支撑频率为2.8Hz，近似模拟在轨自由边界。国内某型号卫星进行微振动试验时未采用专门设计的模拟自由边界，因此通过传递函数对比分析了边界条件的影响，结果表明对30Hz以下频段传递函数影响显著。

由于地面只能近似模拟卫星在轨的自由边界，因此有必要对模拟自由边界产生的影响进行分析，以支撑地面微振动试验中模拟自由边界方案设计和地面微振动试验结果有效性的评估。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法，实现地面微振动试验中，模拟的在轨自由边界对航天器在轨动力学特性和动力学响应影响的定量评价，用于支撑地面微振动试验中模拟自由边界方案设计和地面微振动试验结果有效性评估。

本发明通过如下技术方案实现：

确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法，主要通过以下步骤实现：

(1)建立在轨自由边界航天器的有限元模型；

(2)建立模拟在轨自由边界航天器的有限元模型；

(3)对在轨自由边界航天器的有限元模型进行模态分析和微振动动态响应分析，提取航天器的模态频率、模态振型和关键测点的微振动响应；

(4)对模拟在轨自由边界航天器的有限元模型进行模态分析和微振动响应分析，提取航天器的模态频率、模态振型和关键测点的微振动响应；

(5)对步骤(3)和步骤(4)获得的模态频率、模态振型和关键测点的微振动响应进行偏差对比分析，根据试验精度需求进行实际偏差与偏差标准的对比，确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性和响应的影响。

步骤1)中，根据航天器结构设计参数和地面微振动试验状态，利用有限元建模软件，对航天器的结构构件、构件连接关系、结构材料进行建模，建立起航天器的有限元模型。其中，有限元建模软件例如为MSC.Patran。

步骤2)中，首先利用集中质量单元模拟航天器的质量特性，将集中质量单元与在轨自由边界模拟装置的有限元模型对接，确定所建立的组合模型的固支边界模态频率，检验自由边界模拟装置的前6阶支撑频率是否正确；然后，将建立的在轨飞行状态有限元模型与在轨自由边界模拟装置的有限元模型对接，形成模拟在轨自由边界的航天器地面微振动试验状态有限元模型。

步骤3)中，首先进行模态分析，利用有限元计算分析软件，设置航天器有限元模型为自由边界条件，根据地面微振动试验的频率范围，设定相同或相近的模态分析频率范围，计算得到在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列式中为第i阶模态频率，同时得到与模态频率序列一一对应的模态振型序列式中为第i阶模态振型；然后进行微振动响应分析，利用有限元计算分析软件，设置响应分析类型为频率响应分析，设置航天器有限元模型为自由边界条件，根据已知的扰动力和扰动源的位置，在有限元模型上相应的位置设置动态力载荷激励；选取航天器上关键位置作为响应结果输出点，根据地面微振动试验的频率范围，设定相同或相近的响应分析频率范围，计算得到输出点的频域内的微振动响应结果式中式中r_i ^A为第i个输出点的振动响应结果曲线；

其中，所述的扰动源为航天器上的控制力矩陀螺。

其中，所述的响应结果输出点为航天器上的光学相机及航天器上其他重点关注的位置或仪器设备。

步骤4)中，分析模型采用模拟在轨自由边界航天器有限元模型，有限元模型边界条件设置为在轨自由边界模拟装置固支，分别得到模拟在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列模态振型序列和微振动响应结果

步骤5)中，在对模拟在轨自由边界航天器有限元模型进行模态分析时，得到了模态频率序列筛选中表征航天器的模态频率，其方法是利用有限元模型后处理软件对模态振型进行动画显示，识别出哪些模态表征航天器，哪些模态表征在轨自由边界模拟装置，将表征航天器模态的频率保留，得到模态频率序列将该频率序列与(3)步骤中得到的在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列进行偏差分析，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态频率的偏差，偏差采用如下公式计算：

对每一个模态频率进行偏差计算，得到模态频率偏差序列{err_ω1,err_ω2,Lerr_ωn}。

步骤5)中，进一步将模态振型与模态频率一一对应，将筛选出的模拟在轨自由边界航天器有限元模型中表征航天器的模态振型序列与第(3)步骤中得到的在轨自由边界航天器有限元模型的模态振型序列进行相关性比较，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态振型的影响结果，相关性比较采用如下公式计算：

对两个模态振型序列中的振型向量两两进行相关性分析，得到振型相关性矩阵，根据公式(0.6)，MAC_ij的数值介于0-1之间，当i＝j时，分析的是两个有限元模型的同一阶次的模态振型，此时MAC_ij值越大，表明两个有限元模型的模态振型相关性越好，即模拟在轨自由边界的影响越小，当i≠j时，分析的是两个有限元模型的不同阶次的模态振型，此时MAC_ij值越小，表明两个有限元模型不同阶次的模态振型相关性越低，即模拟在轨自由边界的影响越小。

本发明实现了航天器地面微振动试验中，模拟的在轨自由边界对航天器在轨动力学特性和动力学响应影响的定量评价，提高航天器地面微振动试验技术水平。

附图说明

图1为本发明的确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法的流程图。

图2为本发明方法中在轨自由边界航天器有限元模型示意图。

图3为本发明方法中模拟在轨自由边界航天器有限元模型示意图。

其中，1为在轨自由边界航天器有限元模型，2为地面微振动试验中在轨自由边界模拟装置有限元模型，3为在轨自由边界模拟装置固支边界条件。

图4为本发明方法中模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态频率的影响曲线实例图。

图5为本发明方法中模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态振型的影响矩阵实例图。

图6为本发明方法中模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界微振动响应的影响柱状图实例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

参见图1，图1显示了本发明的确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法的流程图。其中，本发明的确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法，包括以下主要步骤：

(1)建立在轨自由边界航天器有限元模型。

根据给定的航天器结构设计参数和地面微振动试验状态，利用通用有限元建模软件，例如MSC.Patran等，采用合理的建模简化方法，对航天器的结构构件、构件连接关系、结构材料等进行建模，建立起航天器的有限元模型，如图2所示，对所建立的有限元模型进行检查性的自由边界和固支边界模态分析，检验模型的正确性和准确性。根据分析结果，适当修正材料弹性模量等建模参数，使有限元模型尽可能的反映航天器的动力学特性。

(2)建立模拟在轨自由边界航天器有限元模型。

根据地面微振动试验中在轨自由边界模拟装置的设计方案和参数，利用通用有限元建模软件，采用合理的建模简化方法，建立在轨自由边界模拟装置的有限元模型，首先利用集中质量单元模拟航天器的质量特性，将该集中质量单元与在轨自由边界模拟装置的有限元模型对接，对所建立的组合模型进行检查性的固支边界模态分析，检验自由边界模拟装置的前6阶支撑频率是否正确。根据分析结果，适当修正材料弹性模量等建模参数，使支撑频率尽可能反映在轨自由边界模拟装置的特性。然后，将第(1)步中建立的在轨飞行状态有限元模型与在轨自由边界模拟装置的有限元模型对接，形成模拟在轨自由边界的航天器地面微振动试验状态有限元模型，如图3所示。

(3)对在轨自由边界航天器有限元模型进行模态分析和微振动动态响应分析。

a)首先进行模态分析。利用通用有限元计算分析软件，例如MSC.Nastran，设置航天器有限元模型为自由边界条件，根据地面微振动试验关注的频率范围，设定相同或相近的模态分析频率范围，通过软件计算得到在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列式中为第i阶模态频率，同时得到与模态频率序列一一对应的模态振型序列式中为第i阶模态振型。

b)然后进行微振动响应分析。利用通用有限元计算分析软件，设置响应分析类型为频率响应分析。设置航天器有限元模型为自由边界条件，根据已知的扰动力和扰动源的位置，典型的扰动源如航天器上的控制力矩陀螺，在有限元模型上相应的位置设置动态力载荷激励；选取航天器上关键位置作为响应分析结果输出点，如航天器上的光学相机等；根据地面微振动试验关注的频率范围，设定相同或相近的响应分析频率范围，通过软件计算得到输出点的频域内的微振动响应结果式中式中r_i ^A为第i个输出点的振动响应结果曲线。

(4)对模拟在轨自由边界航天器有限元模型进行模态分析和微振动动态响应分析。

分析模型采用模拟在轨自由边界航天器有限元模型，有限元模型边界条件设置为在轨自由边界模拟装置固支，其他分析方法与步骤(3)相同，分别得到模拟在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列模态振型序列和微振动响应结果

(5)进行模拟在轨自由边界对航天器在轨动力学特性的影响分析。

a)模态频率影响分析。在对模拟在轨自由边界航天器有限元模型进行模态分析时，得到了模态频率序列由于该模型相对于在轨自由边界航天器有限元模型增加了在轨自由边界模拟装置，在进行模拟在轨自由边界航天器有限元模型进行模态分析时，会增加在轨自由边界模拟装置的局部模态，此时通常会出现m>n的情况，因此首先需要将中表征航天器的模态频率筛选出来，其方法是利用通用有限元模型后处理软件，例如MSC.Patran，对模态振型进行动画显示，识别出哪些模态表征航天器，而哪些模态表征在轨自由边界模拟装置，将表征航天器模态的频率保留，得到模态频率序列将该频率序列与第(3)步骤中得到的在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列进行偏差分析，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态频率的影响结果，偏差分析采用如下公式计算：

对每一个模态频率进行偏差分析，得到模态频率偏差序列{err_ω1,err_ω2,Lerr_ωn}，偏差值越大，表明影响越大。将计算得到的偏差与根据试验精度需求设定的偏差评判标准值进行对比，可以评判模拟在轨自由边界对模态频率的影响是否满足要求。

进一步，以为横坐标，以{err_ω1,err_ω2,L err_ωn}为纵坐标，绘制曲线，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态频率的影响曲线，如实例图4所示，从图中可以看出，模拟在轨自由边界对26Hz左右的模态频率影响最大，模态频率偏差约2％，此外对22Hz、32Hz、36Hz以及40Hz模态频率影响也较大，模态频率偏差均大于1％。可见，从曲线图中可以更快速方便地得知模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态频率的定量的影响程度和是否满足要求。

b)模态振型影响分析。模态振型与模态频率一一对应，在模态频率影响分析中已经筛选出模拟在轨自由边界航天器有限元模型中表征航天器的模态频率序列与之一一对应的模态振型序列为将该模态振型序列与第(3)步骤中得到的在轨自由边界航天器有限元模型的模态振型序列进行相关性分析，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态振型的影响结果，相关性分析采用如下公式计算：

对两个模态振型序列中的振型向量两两进行相关性分析，得到振型相关性矩阵，根据公式(0.6)，MAC_ij的数值介于0-1之间，当i＝j时，分析的是两个有限元模型的同一阶次的模态振型，此时MAC_ij值越大，表明两个有限元模型的模态振型相关性越好，即模拟在轨自由边界的影响越小，当i≠j时，分析的是两个有限元模型的不同阶次的模态振型，此时MAC_ij值越小，表明两个有限元模型不同阶次的模态振型相关性越低，即模拟在轨自由边界的影响越小。将计算得到的MAC_ij值与根据试验精度需求设定的评判标准值进行对比，可以评判模拟在轨自由边界对模态振型的影响是否满足要求。

进一步，以模态振型序列的阶次为横坐标，以MAC_ij值为纵坐标，绘制柱状图，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态频率的影响矩阵图，如实例图5所示，从图中可以看出，矩阵图主对角线上的柱状值均接近1，表明两个有限元模型的模态振型相关性较好，即模拟自由边界对航天器模态频率的影响较小。从矩阵图中可以更快速便捷地得知模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态振型的定量的影响程度和是否满足要求。

c)微振动响应影响分析。在步骤(3)和步骤(4)中，分别得到了在轨和模拟在轨自由边界航天器的微振动响应结果，即和对这两组微振动响应进行相关性分析，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界微振动响应的影响结果，微振动响应相关性分析采用如下公式计算：

对每一个点进行微振动响应相关性分析，得到微振动响应相关性序列{SAC₁,SAC₂,L SAC_k}，根据公式(0.7)，SAC_i值介于0-1之间，SAC_i值越大，表明两个有限元模型的微振动响应相关性越好，即模拟在轨自由边界的影响越小。将计算得到的SAC_i值与根据试验精度需求设定的评判标准值进行对比，可以评判模拟在轨自由边界对微振动响应的影响是否满足要求。

进一步，以测点为横坐标，以{SAC₁,SAC₂,L SAC_k}为纵坐标，绘制柱状图，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界微振动响应的影响柱状图，如实例图6所示，由图可见，测点1、2、3、4、7的SAC值较大，说明模拟自由边界对这些测点的微振动响应影响较小，测点5和6的SAC值较小，说明模拟自由边界对这些测点的微振动响应影响较大。从柱状图中可以更快速方便地得知模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界微振动响应的定量的影响程度和是否满足要求。

通过上述a)模态频率影响分析、b)模态振型影响分析和c)微振动响应影响分析，完成模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性的影响分析。

尽管上文对本发明专利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专利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，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性影响的方法，主要通过以下步骤实现：

(1)建立在轨自由边界航天器的有限元模型；

(2)建立模拟在轨自由边界航天器的有限元模型；

(3)对在轨自由边界航天器的有限元模型进行模态分析和微振动动态响应分析，提取航天器的模态频率、模态振型和关键测点的微振动响应；

(4)对模拟在轨自由边界航天器的有限元模型进行模态分析和微振动响应分析，提取航天器的模态频率、模态振型和关键测点的微振动响应；

(5)对步骤(3)和步骤(4)获得的模态频率、模态振型和关键测点的微振动响应进行偏差对比分析，根据试验精度需求进行实际偏差与偏差标准的对比，确定模拟在轨边界对航天器在轨动力学特性和响应的影响。

2.如权利要求1所述的方法，步骤1)中，根据航天器结构设计参数和地面微振动试验状态，利用有限元建模软件，对航天器的结构构件、构件连接关系、结构材料进行建模，建立起航天器的有限元模型；其中，有限元建模软件例如为MSC.Patran。

3.如权利要求1所述的方法，步骤2)中，首先利用集中质量单元模拟航天器的质量特性，将集中质量单元与在轨自由边界模拟装置的有限元模型对接，确定所建立的组合模型的固支边界模态频率，检验自由边界模拟装置的前6阶支撑频率是否正确；然后，将建立的航天器在轨飞行状态有限元模型与在轨自由边界模拟装置的有限元模型对接，形成模拟在轨自由边界的航天器地面微振动试验状态有限元模型。

4.如权利要求1所述的方法，步骤3)中，首先进行模态分析，利用有限元计算分析软件，设置航天器有限元模型为自由边界条件，根据地面微振动试验的频率范围，设定相同或相近的模态分析频率范围，计算得到在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列式中为第i阶模态频率，同时得到与模态频率序列一一对应的模态振型序列式中为第i阶模态振型；然后进行微振动响应分析，利用有限元计算分析软件，设置响应分析类型为频率响应分析，设置航天器有限元模型为自由边界条件，根据已知的扰动力和扰动源的位置，在有限元模型上相应的位置设置动态力载荷激励；选取航天器上关键位置作为响应结果输出点，根据地面微振动试验的频率范围，设定相同或相近的响应分析频率范围，计算得到输出点的频域内的微振动响应结果式中r_i ^A为第i个输出点的振动响应结果曲线。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述的扰动源为航天器上的控制力矩陀螺。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述的响应结果输出点为航天器上的光学相机及航天器上其他重点关注的位置或仪器设备。

7.如权利要求1所述的方法，步骤4)中，分析模型采用模拟在轨自由边界航天器有限元模型，有限元模型边界条件设置为在轨自由边界模拟装置固支，分别得到模拟在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列模态振型序列和微振动响应结果

8.如权利要求1所述的方法，步骤5)中，在对模拟在轨自由边界航天器有限元模型进行模态分析时，得到了模态频率序列筛选中表征航天器的模态频率，其方法是利用有限元模型后处理软件对模态振型进行动画显示，识别出哪些模态表征航天器，哪些模态表征在轨自由边界模拟装置，将表征航天器模态的频率保留，得到模态频率序列将该频率序列与(3)步骤中得到的在轨自由边界航天器有限元模型的模态频率序列进行偏差分析，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态频率的偏差，偏差采用如下公式计算：

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对每一个模态频率进行偏差计算，得到模态频率偏差序列{err_ω1,err_ω2,L err_ωn}。

9.如权利要求1所述的方法，步骤5)中，进一步将模态振型与模态频率一一对应，将筛选出的模拟在轨自由边界航天器有限元模型中表征航天器的模态振型序列与第(3)步骤中得到的在轨自由边界航天器有限元模型的模态振型序列进行相关性比较，得到模拟在轨自由边界对航天器在轨自由边界模态振型的影响结果，相关性比较采用如下公式计算：

对两个模态振型序列中的振型向量两两进行相关性分析，得到振型相关性矩阵，根据公式(0.6)，MAC_ij的数值介于0-1之间，当i＝j时，分析的是两个有限元模型的同一阶次的模态振型，此时MAC_ij值越大，表明两个有限元模型的模态振型相关性越好，即模拟在轨自由边界的影响越小，当i≠j时，分析的是两个有限元模型的不同阶次的模态振型，此时MAC_ij值越小，表明两个有限元模型不同阶次的模态振型相关性越低，即模拟在轨自由边界的影响越小。