CN110375939B - 一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法 - Google Patents

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Abstract

一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，涉及航天器结构振动状态评估领域；步骤一、在航天器已有的每个控制传感器内侧对应固定安装1个振动监测传感器；步骤二、设置所有振动监测传感器的内置监测参数；步骤三、采集各振动监测传感器监测得到的振动曲线；步骤四、将各振动监测传感器的振动曲线进行归一化处理，转化成一条综合振动曲线；步骤五、计算振动传递函数曲线；步骤六、重复2次步骤二至步骤五；得到3条振动传递函数曲线；将3条振动传递函数曲线进行对比，判断航天器是否存在健康隐患；本发明准确了反应结构自身特性，能排除外界干扰，在工程实际中能灵活操作；同时适用于大量级的振动试验和随机振动试验。

Description

一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法
技术领域
本发明涉及一种航天器结构振动状态评估领域，特别是一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法。
背景技术
航天器研制需要经历地面力学试验来检验结构抗力学环境的能力，大量级的力学试验后需要对结构的健康状态进行检查和评估，以此确定是否通过了相应量级的试验。
此前，结构健康状态评估是采用特征级振动响应对比法，具体而言是在大量级试验前后各利用相同的较低量级的振动试验条件(即特征级)进行振动试验获得结构关键位置的振动响应曲线，进而对比特征级振动响应曲线之间的差异，从而根据差异的程度评价结构健康状态。
该方法存在以下的不足：
1、特征级振动响应对比法在工程实施上难以准确评估结构健康状态，这是因为振动响应并不是直接表征结构动特性。理论上，振动响应是振动加载条件和传递函数的积，振动加载条件的变化和传递函数的变化都会引起振动响应的变化，而只有传递函数变化才是结构动特性和健康状态的衡量指标。在工程试验过程中，振动加载条件由试验模拟系统来产生，理论上相同的试验条件实际上不可能完全一致，而且经常不可避免会引入电噪声以及外界环境干扰信号，甚至不同时间的特征级振动试验干扰来源和程度不同，导致实际的振动加载条件在每次试验都会有明显差异，这给结构健康状态评估带来误导。
2、特征级振动响应对比法存在操作上的风险，这是因为该方法必须确保不同次试验的振动输入条件是完全相同的即特征级条件，而该条件是在试验前预先规定的，对于航天器这样的复杂结构，特征级条件需要在频率和量级上都制定得合理，量级过低则难以激励出结构的动特性，量级过高则威胁产品结构的安全，频率范围也需要覆盖到从主结构到次结构的主要特征频率，在试验前难以准确预测的情况下这些要求在试验开始是难以完全满足的，因此工程实际中，特征级条件常需要在后续试验中调整，而输入条件的不同会引起响应变化，使得试验前后的曲线差异大，无法用来评估健康状态。
3、特征级振动响应对比法不能评估大量级的振动试验，这是因为该方法要求试验加载条件完全一致，而大量级试验的输入条件与特征级条件在频率范围、谱型和量级上都差异很大，两者的响应曲线无法用来对比。
4、特征级振动响应对比法不能评估随机振动试验。这是因为特征级振动试验本质上是一种正弦扫频试验(简称正弦振动)，随机振动试验数据与正弦振动试验数据在处理算法上完全不同，频率、谱型和量级也不相同，两者的响应曲线无法用来对比。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，准确了反应结构自身特性，能排除外界干扰，在工程实际中能灵活操作；同时适用于大量级的振动试验和随机振动试验。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，包括如下步骤：
步骤一、在航天器已有的每个控制传感器内侧对应固定安装1个振动监测传感器；
步骤二、设置所有振动监测传感器的内置监测参数；
步骤三、采集各振动监测传感器监测得到的振动曲线；
步骤四、将各振动监测传感器的振动曲线进行归一化处理，转化成一条综合振动曲线；
步骤五、计算振动传递函数曲线；
步骤六、重复2次步骤二至步骤五；得到3条振动传递函数曲线；将3条振动传递函数曲线进行对比，判断航天器是否存在健康隐患。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤一中，振动监测传感器与对应控制传感器不接触，且间距小于1cm。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤二中，所有振动监测传感器的内置监测参数相同；监测参数包括窗函数、分析采集模式、采样率、工作频率和分辨率。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤二中，设置振动监测传感器的窗函数和分析采集模式分别与控制传感器的窗函数和分析采集模式相同；设置振动监测传感器的采样率、工作频率和分辨率分别与航天器已有响应传感器的采样率、工作频率和分辨率相同。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤二中，所述分析采集模式包括取极大值或取平均值。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤三中，振动曲线为二维曲线；横坐标为监测得到的振动数据；纵坐标为控制传感器的控制数据。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤三中，控制传感器的控制数据采集方式与分析采集模式的选取方式相同。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤五中，振动传递函数曲线的计算方法为：
S1、当航天器的振动试验为正弦扫频振动试验时，振动传递函数曲线等于已知的响应传感器产生的响应曲线除以综合振动曲线；
S2、当航天器的振动试验为随机振动试验时，振动传递函数曲线等于已知的响应传感器产生的响应曲线除以综合振动曲线的商的开方。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤六中，判断航天器是否存在健康隐患的方法为：
对3条振动传递函数曲线进行对比；设定曲线特征峰频率差值变化率阈值a和幅值差值变化率阈值b；当任意2条振动传递函数曲线的曲线特征峰频率差值的变化率小于a，且任意2条振动传递函数曲线的幅值差值的变化率小于b时，认为不存在健康隐患；否则认为存在健康隐患。
在上述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，所述的步骤六中，a为5％；b为10％。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明提供一种新的结构健康状态评估方法，适合航天器试验特点，能更准确反应结构自身特性，能尽量排除外界干扰，在工程实际中能灵活操作，即使对大量级的振动试验和随机振动试验，也可以适用；
(2)本发明采用直接传递函数对比的方法来评价结构振动试验健康状态，提高了振动试验健康评价的可信度，实现了不同量级试验条件下的振动试验健康评价；
(3)本发明采用了随机振动传递函数计算方法，提高了随机振动试验数据可利用性，实现了随机振动试验数据参与健康评价。
附图说明
图1为本发明健康状态评估流程图；
图2为本发明振动监测传感器安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，采用传递函数曲线对比法，即通过对各次试验的试验条件和响应数据的采集和处理，获得传递函数曲线，再对比各次试验的传递函数曲线的差异来评估结构动特性的变化，进而评估结构的健康状态，适合航天器试验特点，能更准确反应结构自身特性，能尽量排除外界干扰，在工程实际中能灵活操作，即使对大量级的振动试验和随机振动试验，也可以适用。
如图1所示为健康状态评估流程图，由图可知，一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，包括如下步骤：
步骤一、如图2所示为振动监测传感器安装示意图，由图可知，在航天器已有的每个控制传感器内侧对应固定安装1个振动监测传感器1；振动监测传感器1与对应控制传感器不接触，且间距小于1cm。并把振动监测传感器1信号电缆连接到试验数据响应采集设备中，而不是试验控制设备上
步骤二、设置所有振动监测传感器1的内置监测参数；所有振动监测传感器1的内置监测参数相同；监测参数包括窗函数、分析采集模式、采样率、工作频率和分辨率。设置振动监测传感器1的窗函数和分析采集模式分别与控制传感器的窗函数和分析采集模式相同；设置振动监测传感器1的采样率、工作频率和分辨率分别与航天器已有响应传感器的采样率、工作频率和分辨率相同。分析采集模式包括取极大值或取平均值。
步骤三、采集各振动监测传感器1监测得到的振动曲线；振动曲线为二维曲线；横坐标为监测得到的振动数据；纵坐标为控制传感器的控制数据。控制传感器的控制数据采集方式与分析采集模式的选取方式相同。
步骤四、将各振动监测传感器1的振动曲线进行归一化处理，转化成一条综合振动曲线；
步骤五、计算振动传递函数曲线；振动传递函数曲线的计算方法为：
S1、当航天器的振动试验为正弦扫频振动试验时，振动传递函数曲线等于已知的响应传感器产生的响应曲线除以综合振动曲线；
S2、当航天器的振动试验为随机振动试验时，振动传递函数曲线等于已知的响应传感器产生的响应曲线除以综合振动曲线的商的开方。
步骤六、重复2次步骤二至步骤五；得到3条振动传递函数曲线；将3条振动传递函数曲线进行对比，判断航天器是否存在健康隐患。采用传递函数曲线对比分析方法是把特征级、大量级等各次试验得到的传递函数曲线进行对比，根据差异程度评估结构健康状态：
判断航天器是否存在健康隐患的方法为：
对3条振动传递函数曲线进行对比；设定曲线特征峰频率差值变化率阈值a和幅值差值变化率阈值b；当任意2条振动传递函数曲线的曲线特征峰频率差值的变化率小于a，且任意2条振动传递函数曲线的幅值差值的变化率小于b时，认为不存在健康隐患；否则认为存在健康隐患。a为5％；b为10％。
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 (4)

1.一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、在航天器已有的每个控制传感器内侧对应固定安装1个振动监测传感器(1)；振动监测传感器(1)与对应控制传感器不接触，且间距小于1cm；
步骤二、设置所有振动监测传感器(1)的内置监测参数；所有振动监测传感器(1)的内置监测参数相同；监测参数包括窗函数、分析采集模式、采样率、工作频率和分辨率；设置振动监测传感器(1)的窗函数和分析采集模式分别与控制传感器的窗函数和分析采集模式相同；设置振动监测传感器(1)的采样率、工作频率和分辨率分别与航天器已有响应传感器的采样率、工作频率和分辨率相同；
步骤三、采集各振动监测传感器(1)监测得到的振动曲线；
步骤四、将各振动监测传感器(1)的振动曲线进行归一化处理，转化成一条综合振动曲线；
步骤五、计算振动传递函数曲线；振动传递函数曲线的计算方法为：
S1、当航天器的振动试验为正弦扫频振动试验时，振动传递函数曲线等于已知的响应传感器产生的响应曲线除以综合振动曲线；
S2、当航天器的振动试验为随机振动试验时，振动传递函数曲线等于已知的响应传感器产生的响应曲线除以综合振动曲线的商的开方；
步骤六、重复2次步骤二至步骤五；得到3条振动传递函数曲线；将3条振动传递函数曲线进行对比，判断航天器是否存在健康隐患；判断航天器是否存在健康隐患的方法为：
对3条振动传递函数曲线进行对比；设定曲线特征峰频率差值变化率阈值a和幅值差值变化率阈值b；当任意2条振动传递函数曲线的曲线特征峰频率差值的变化率小于a，且任意2条振动传递函数曲线的幅值差值的变化率小于b时，认为不存在健康隐患；否则认为存在健康隐患；a为5％；b为10％。
2.根据权利要求1所述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，其特征在于：所述的步骤二中，所述分析采集模式包括取极大值或取平均值。
3.根据权利要求2所述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，其特征在于：所述的步骤三中，振动曲线为二维曲线；横坐标为监测得到的振动数据；纵坐标为控制传感器的控制数据。
4.根据权利要求3所述的一种航天器结构振动试验健康状态评估的改进方法，其特征在于：所述的步骤三中，控制传感器的控制数据采集方式与分析采集模式的选取方式相同。
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