CN110069813B - 航天发射塔结构远程在线监测与辅助决策系统 - Google Patents

航天发射塔结构远程在线监测与辅助决策系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航天发射塔结构远程在线监测与辅助决策系统，属于航天测试与发射技术领域。系统包括监测数据采集模块、数据库管理模块和状态评估模块；监测数据采集模块将发射塔的应变数据传送给数据库管理模块；数据库管理模块对监测数据采集模块采集应变数据中的冗余数据进行剔出后分类存储；状态评估模块通过建立有限元模型并结合数据库管理模块中的已有的模态数据，对发射塔的质量和刚度修正后得到结构初始设计应力，结构初始设计应力与测量应力相加得到使用状态结构实际应力；将结构实际应力与发射塔承载能力等级及阀值进行对比，依据分级评价指标，进行分类评估判断，从而实现发射塔安全可靠性的远程在线监测与评估。

Description

航天发射塔结构远程在线监测与辅助决策系统
技术领域
本发明涉及一种航天发射塔结构的在线监测与辅助决策系统，属于航天测试与发射技术领域。
背景技术
航天发射塔是用于发射运载火箭的基础设施，发射塔的结构复杂且体积庞大，为了掌握发射塔在发射前、发射中和发射后的结构应力变化情况，需要对其进行应力检测，以应对发射塔的日常维护。
目前针对发射塔的检测均是采用人工检测，塔架射前状态检测时间周期长、射中及射后均无状态数据信息，使得发射塔的结构状态信息严重滞后，影响了对发射塔维护的实时性，同时也使维护成本居高不下。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种航天发射塔结构远程在线监测与辅助决策系统，能够实现远程专家可靠性诊断，不仅可以减少日常维护的开支费用，同时可推进我国航天发射场的信息化建设。
航天发射塔结构远程在线监测与辅助决策系统，系统包括监测数据采集模块、数据库管理模块和状态评估模块；
所述监测数据采集模块布置在发射塔上并将发射塔的应变数据传送给数据库管理模块；
所述数据库管理模块采用误差统计分析方法对监测数据采集模块采集应变数据中的冗余数据进行剔出后分类存储，并对数据曲线进行平滑处理；
所述状态评估模块通过有限元软件建立有限元模型，有限元模型结合数据库管理模块中的已有的模态数据，对发射塔的质量和刚度修正后得到结构初始设计应力，结构初始设计应力与数据库管理模块中的测量应力相加得到使用状态结构实际应力；将结构实际应力与发射塔承载能力等级及阀值进行对比，依据分级评价指标，进行分类评估判断，从而实现发射塔安全可靠性的远程在线监测与评估。
进一步地，所述有限元模型对发射塔质量和刚度的修正过程如下：采用区域分布法将发射塔结构单元按照层数和不同的位置进行分区，表示如下：
Figure BDA0001993784240000021
其中/>
Figure BDA0001993784240000022
为分区向量，εi为分向量，j表示为区间号，i表示为向量号；
单元的应变与受力和单元的刚度存在以下的函数关系表示为:
Figure BDA0001993784240000023
其中，p为发射状态气流冲击压力，V为风速，g为地震状态的加速度峰值，G(p,V,g)为三种状态下的结构单元受力函数；
由于理论建模与实际模型存在差异，其计算中有一定的假设条件，因此实际测量与数值计算必然存在着误差，但实际测量值与理论计算值存在相似关系；
Figure BDA0001993784240000024
因此，需要对有限元分析模型进行修正，主要根据其频率和质量进行修正，对上述有限元模型采用子空间法进行模态分析；
根据修正后的有限元模型得到结构初始设计应力，然后与测量应力相加，即为使用状态结构实际应力；
梁应力监测数据计算：
Figure BDA0001993784240000031
支撑应力监测数据计算：
Figure BDA0001993784240000032
柱应力监测数据计算：
Figure BDA0001993784240000033
其中，σ1i为i点的第一主应力，单位为pa，σ2i为i点的第二主应力，单位为pa；σ3i为i点的第三主应力，单位为pa；τimax为i点的最大切应力，单位为pa；εxi为水平方向应变；εyi为垂直方向应变；E为弹性模量2.06x1011N/m2；μ为泊松比，泊松比系数为0.3；应力与应变的符号拉为“+”压为“-”；将应变监测数据，代入(3)式、(4)式、(5)式即可得到发射塔中梁、柱及支撑的应力。
有益效果：
1、本发明能够实现将发射塔结构内部信息三维可视化，具备远程实时状态可靠性监测与评估功能。
2、本发明能够将发射塔结构的关键部位全覆盖，具备远程灾害技术保障功能，同时实现了结构信息网络化，具备远程日常维护管理控制功能。
附图说明
图1为本发明远程在线监测与辅助决策系统的组成原理图
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种航天发射塔结构远程在线监测与辅助决策系统，系统包括监测数据采集模块、数据库管理模块和状态评估模块；
所述监测数据采集模块由布置在发射塔层高处的柱梁节点下部、塔架和回转平台的光纤光栅应变传感器组成，光纤光栅应变传感器与解调设备连接组成数据采集站，各数据采集站再通过局域网络将光纤光栅应变传感器采集的应变数据传送给数据库管理模块；
数据库管理模块采用误差统计分析方法对监测数据采集模块采集应变数据中的冗余数据进行剔出后分类存储，并对数据曲线进行平滑处理；
状态评估模块通过有限元软件建立有限元模型，有限元模型结合数据库管理模块中的已有的模态数据，对塔架的质量和刚度修正后得到结构初始设计应力，结构初始设计应力与测量应力相加得到使用状态结构实际应力；将结构实际应力与发射塔承载能力等级及阀值进行对比，依据分级评价指标进行分类评估判断，实现发射塔安全可靠性的远程评估。
其中，有限元模型对塔架的质量和刚度的修正过程如下：采用区域分布法将塔架结构单元按照层数和不同的位置进行分区，表示如下：
Figure BDA0001993784240000041
其中/>
Figure BDA0001993784240000042
为分区向量，εi为分向量，j表示为区间号，i表示为向量号；
单元的应变与受力和单元的刚度存在以下的函数关系表示为:
Figure BDA0001993784240000043
其中，p为发射状态气流冲击压力，V为风速，g为地震状态的加速度峰值，G(p,V,g)为三种状态下的结构单元受力函数，假设三种状态为相互独立状态，即可知三个变量为相互独立的变量，因此在计算过程中当考虑一种状态时，另外两个变量将不再考虑；
由于理论建模与实际模型存在差异，其计算中有一定的假设条件，因此实际测量与数值计算必然存在着误差，但实际测量值与理论计算值存在相似关系；
Figure BDA0001993784240000051
因此，需要对有限元分析模型进行修正，主要根据其频率和质量进行修正，对上述有限元模型采用子空间法进行模态分析；
然后根据修正后的有限元模型，可以得到结构初始设计应力，然后与测量应力相加，即为使用状态结构实际应力；
梁应力监测数据计算：
Figure BDA0001993784240000052
支撑应力监测数据计算：
Figure BDA0001993784240000053
柱应力监测数据计算：
Figure BDA0001993784240000054
其中，σ1i为i点的第一主应力，单位为pa，σ2i为i点的第二主应力，单位为pa；σ3i为i点的第三主应力，单位为pa；τimax为i点的最大切应力，单位为pa；εxi为水平方向应变；εyi为垂直方向应变；E为弹性模量2.06x1011N/m2；μ为泊松比，泊松比系数为0.3；应力与应变的符号拉为“+”压为“-”；将应变监测数据，代入(3)式、(4)式、(5)式即可得到梁、柱及支撑的应力。然后将结构实际应力与发射塔承载能力等级及阀值进行对比，见下表，依据分级评价指标，进行分类评估判断，从而实现发射塔安全可靠性的远程评估。
根据表中的评估标准，可实现发射塔承载能力的评估。
Figure BDA0001993784240000061
Figure BDA0001993784240000071
其中：σ为发射塔构件实际最大第一主应力值(既有建筑后装测试系统为测量应力与实际应力之和)，σmax为发射塔构件极限最大第一主应力值。对于风荷载条件下，σ取实际风压值，σmax取结构极限风压值。
本发明在07-57北斗MEO双星、07-58北斗G6卫星发射任务期间，系统实时监测了发射塔射前正常运营状态、回转平台开启状态、火箭发射状态和射后恢复状态的发射塔结构数据，并及时对塔体状态进行分析，为航天发射任务提供了远程技术支撑，并已在西昌、太原卫星发射中心成功应用，具有较好的推广价值和应用前景。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.航天发射塔结构远程在线监测与辅助决策系统，其特征在于，系统包括监测数据采集模块、数据库管理模块和状态评估模块；
所述监测数据采集模块布置在发射塔上并将发射塔的应变数据传送给数据库管理模块；
所述数据库管理模块采用误差统计分析方法对监测数据采集模块采集应变数据中的冗余数据进行剔出后分类存储，并对数据曲线进行平滑处理；
所述状态评估模块通过建立有限元模型并结合数据库管理模块中的已有的模态数据，对发射塔的质量和刚度修正后得到结构初始设计应力，结构初始设计应力与测量应力相加得到使用状态结构实际应力；将结构实际应力与发射塔承载能力等级及阀值进行对比，依据分级评价指标，进行分类评估判断，从而实现发射塔安全可靠性的远程在线监测和评估；
所述有限元模型对发射塔质量和刚度的修正过程如下：采用区域分布法将发射塔结构单元按照层数和不同的位置进行分区，表示如下：
Figure FDA0004069873930000011
其中/>
Figure FDA0004069873930000012
为分区向量，εi为分向量，j表示为区间号，i表示为向量号；
单元的应变与受力和单元的刚度存在以下的函数关系表示为:
Figure FDA0004069873930000013
其中，p为发射状态气流冲击压力，V为风速，g为地震状态的加速度峰值，G(p,V,g)为三种状态下的结构单元受力函数；
由于理论建模与实际模型存在差异，其计算中有一定的假设条件，因此实际测量与数值计算必然存在着误差，但实际测量值与理论计算值存在相似关系；
Figure FDA0004069873930000014
因此，根据频率和质量对有限元分析模型进行修正，对上述有限元模型采用子空间法进行模态分析；
根据修正后的有限元模型得到结构初始设计应力，然后与测量应力相加，即为使用状态结构实际应力；
梁应力监测数据计算：
Figure FDA0004069873930000021
支撑应力监测数据计算：
Figure FDA0004069873930000022
柱应力监测数据计算：
Figure FDA0004069873930000023
其中，σ1i为i点的第一主应力，单位为pa，σ2i为i点的第二主应力，单位为pa；σ3i为i点的第三主应力，单位为pa；τimax为i点的最大切应力，单位为pa；εxi为水平方向应变；εyi为垂直方向应变；E为弹性模量2.06x1011N/m2；μ为泊松比，泊松比系数为0.3；应力与应变的符号拉为“+”压为“-”；将应变监测数据，代入(3)式、(4)式、(5)式即可得到发射塔中的梁、柱及支撑的使用状态结构实际应力。
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