CN111144022B - 基于面质比的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于面质比的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法，该方法用于对卫星地面验证试验中的随机振动试验和噪声试验进行剪裁。首先根据卫星随机振动试验条件，进行卫星动力学频响仿真分析，获取卫星关键位置频响最大值对应频率所对应的随机振动试验条件功率谱密度值，随后根据卫星声试验条件，进行航天声致振动响应仿真分析，获取卫星关键位置频响最大值对应频带所对应的声试验条件声压级，计算频率带宽，和声压频谱密度，后计算miles面积质量比值，最后，计算盈亏平衡系数及盈亏平衡点，根据平衡点对随机振动试验和噪声试验进行剪裁。本发明方法充分考虑了卫星每阶模态对振动的贡献量，针对不同类型卫星自身动力学特征，量化了剪裁阈值，具有适应性强的特点。

Description

基于面质比的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法
技术领域
本发明属于卫星力学环境试验技术领域，具体涉及卫星随机振动与噪声试验的剪裁方法。
背景技术
随机振动试验与噪声试验项目的裁剪是卫星力学环境试验的重要内容，相关裁剪原则在各国的标准中均有规定，然而对于选取原则各国标准并不一致。因此有必要对其进行深入研究，制定随机振动和噪声试验的裁剪准则。
目前，国内外相关试验标准只定性给出一般原则，未形成定量的分析选取方法。NASA-STD-7001标准中规定，一般对于重量小于450kg的紧凑星体，应该采用系统级的随机振动试验。对于部分虽然是小重量，但是通过分析或经验数据表明其工作载荷是由声环境造成的星体，应采用声学试验。对于大的面积质量比的部件，如太阳翼等，应该采用声学试验。SMC-S-016标准中规定，在飞行器质量小于180kg的情况下，振动试验可以代替声学试验来对飞行器的振动进行更有效的激发。两个给出的标准中，都只考虑了质量对随机振动试验/噪声试验的剪裁的影响。关于面积质量比对于试验剪裁的影响，只给出了粗略的定性分析，没有给出相关的定量分析。
ECSS-26A给出的标准为：对于质量对随机振动试验/噪声试验剪裁的影响，给出了下述标准：对绝大多数的情况下，对卫星进行噪声试验。只有对于微小卫星(150kg-200kg)，必须进行随机振动试验。
ISO19683给出了噪声试验和随机振动试验的剪裁原则如下：对于小型、紧凑的卫星，其界面振动比通过声场更加剧烈，需进行随机振动试验，而不是进行声学试验。给出了同样基于单自由度的系统、一阶共振频率来进行计算，给出了一种面积质量比剪裁定量公式，最终得出的结论是当面积质量比大于0.083m2/kg时，噪声试验比较有效，反之随机试验比较有效。
国内主要的卫星研制单位，GJB1027A是相关试验的重要参考依据。包括中国东方红卫星股份有限公司、中科院上海微小卫星研究院、长光卫星技术有限公司等。目前大多数小卫星进行随机振动试验验证，只有少部分开展了噪声试验验证，对于小卫星随机振动试验验证方式的剪裁还没有统一结论。与国外标准相比，GJB1027A中主要参考NASA-STD-7001，因此相关规定基本与NASA-STD-7001协调。因此，总体来说，我国目前缺少对于面积质量比等维度对于随机/噪声试验剪裁影响的精准力学模型，也缺少相关参数对于随机/噪声试验剪裁的具体剪裁指标。
发明内容
本发明的技术解决问题是：量化卫星随机振动试验和噪声试验剪裁依据，充分考虑了卫星每阶模态对振动的贡献量，具有适用性强的特点。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
基于面质比的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法，包括如下步骤：
(1)根据卫星随机振动试验条件，进行卫星动力学频响仿真分析，获取卫星关键位置频响最大值对应频率所对应的随机振动试验条件功率谱密度值PSDfn；
(2)根据卫星声试验条件，进行航天声致振动响应仿真分析，获取卫星关键位置频响最大值对应频带所对应的声试验条件声压级spl；
(3)根据中心频率fc，计算频率带宽Δf，对于倍频程声谱，取Δf＝0.707fc；对于1/3倍频程声谱，取Δf＝0.232fc；
(4)根据步骤(2)和步骤(3)，计算声压频谱密度
Figure BDA0002348310440000021
其中Pref为参考声压2×10-5Pa；
(5)根据步骤(1)和步骤(4)计算miles面积质量比
Figure BDA0002348310440000022
(6)计算盈亏平衡系数
Figure BDA0002348310440000031
其中，
Figure BDA0002348310440000032
i＝1,2,...,m，其中，WA-max(fc)i为声试验仿真分析或类似结构卫星声试验实测的i个关键点响应值，Q为品质因数，
Figure BDA0002348310440000033
为面积质量比；
Figure BDA0002348310440000034
i＝1,2,...,m，其中，Wr-max(fn)i为随机试验仿真分析或类似结构卫星随机振动试验实测的i个关键点响应值；
(7)根据步骤(5)和步骤(6)计算盈亏平衡点
Figure BDA0002348310440000035
(8)根据盈亏平衡点进行卫星随机振动试验与噪声试验剪裁。
其中，当
Figure BDA0002348310440000036
时，噪声试验对该卫星地面验证更合适；当
Figure BDA0002348310440000037
时，随机振动试验对卫星的激励更有效。
所述步骤(3)中，根据声试验谱的不同倍频程来剪裁计算带宽公式。
所述步骤(6)中，品质因数Q一般取值为4.5；βr和βa是选取的m个关键测点的算术平均值，m的最小值为1；WA-max(fc)i和Wr-max(fn)i分别为声试验和随机振动试验仿真分析或类似结构卫星声试验实测的i个关键点响应值。
利用该方法，成功完成了卫星随机振动试验和噪声试验的剪裁，与现有技术相比的优点在于：
(1)国内卫星随机振动试验与噪声试验的选择存在较大争议，目前缺乏理论依据。本发明提出了一种用于解决复杂卫星产品地面模拟随机振动与噪声试验的剪裁方法，与国际通用的ECSS-26A、ISO19683等提出算法相比更为先进，计算结果较准确。
(2)本发明提出了“盈亏平衡”面质比计算系数，使用了噪声试验和随机振动试验源数据、类似结构卫星声试验实测数据或仿真分析结果进行修正计算，该系数充分考虑了产品构型、面积、质量、阻尼特性等，较单一因素更为全面。
(3)本发明方法给出了卫星随机振动与噪声试验剪裁“盈亏平衡”的使用范围，增强了本发明方法的工程实用性。在卫星研制工程实践中，该方法可有效指导卫星力学试验的剪裁，并能有效提高研制效率，降低试验成本。
附图说明
图1为本发明的基于面质比的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法实施流程图。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
参见图1，图1为本发明的基于面质比的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法实施流程图，主要包括如下几个步骤：(1)根据卫星随机振动试验条件，进行卫星动力学频响仿真分析，获取卫星关键位置频响最大值对应频率所对应的随机振动试验条件功率谱密度值；(2)根据卫星声试验条件，进行卫星声致振动响应仿真分析，获取卫星关键位置频响最大值对应频带所对应的声试验条件声压级；(3)计算频率带宽；(4)计算声压频谱密度；(5)计算miles面积质量比；(6)计算盈亏平衡系数；(7)计算盈亏平衡点；(8)根据平衡点进行卫星随机振动试验与噪声试验剪裁。
以某卫星研制工程中的力学环境试验剪裁为例，随机振动试验条件与噪声试验条件如表1和表2所示。对各步骤进行详细的说明。
表1随机振动试验条件
频率(Hz) 20-150 150-800 800-2000
PSD +3dB/Oct 0.031g<sup>2</sup>/Hz -6dB/Oct
表2噪声试验条件
Figure BDA0002348310440000041
(1)根据某卫星表1随机振动试验条件和表2噪声试验条件，进行卫星有限元模型仿真分析。以卫星有限元模型中的关键位置频响最大值对应频率250Hz为例，随机振动试验条件谱在150Hz到800Hz的谱密度值为0.031g2/Hz，即2.98(m/s2)2/Hz。
(2)250Hz对应的卫星噪声试验条件的倍频程声压级为134dB；
(3)计算倍频程频率带宽，Δf＝0.707fc＝0.707×250Hz＝176.75Hz；
(4)利用(2)步和(3)步获得的声压级和频率贷款，计算声压频谱密度，
Figure BDA0002348310440000051
(5)计算miles面积质量比，
Figure BDA0002348310440000052
(6)计算盈亏平衡系数。对于第一个测点：
Figure BDA0002348310440000053
Figure BDA0002348310440000054
选取5个关键位置测点，即m＝5，5个测点对应的系数均按照以上公式进行计算。盈亏平衡系数计算结果见表3和表4。
表3关键位置测点βa计算结果
Figure BDA0002348310440000055
表4关键位置测点βr计算结果
Figure BDA0002348310440000056
(7)计算盈亏平衡点。
Figure BDA0002348310440000061
(8)根据平衡点进行卫星随机振动试验或噪声试验的裁剪。卫星实际面积质量比为0.018，小于0.0346，即采用随机振动试验进行验证更合适，将噪声试验剪裁。
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。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (5)

1.基于面质比的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法，包括如下步骤：
(1)根据卫星随机振动试验条件，进行卫星动力学频响仿真分析，获取卫星关键位置频响最大值对应频率所对应的随机振动试验条件功率谱密度值PSDfn；
(2)根据卫星声试验条件，进行航天声致振动响应仿真分析，获取卫星关键位置频响最大值对应频带所对应的声试验条件声压级spl；
(3)根据中心频率fc，计算频率带宽Δf，对于倍频程声谱，取Δf＝0.707fc；对于1/3倍频程声谱，取Δf＝0.232fc；
(4)根据步骤(2)和步骤(3)，计算声压频谱密度
Figure FDA0002957639850000011
其中Pref为参考声压2×10-5Pa；
(5)根据步骤(1)和步骤(4)计算miles面积质量比
Figure FDA0002957639850000012
(6)计算“盈亏平衡”修正系数
Figure FDA0002957639850000013
其中，
Figure FDA0002957639850000014
其中，WA-max(fc)i为声试验仿真分析或类似结构卫星声试验实测的i个关键点响应值，Q为品质因数，
Figure FDA0002957639850000015
为卫星实际面积质量比；
Figure FDA0002957639850000016
其中，Wr-max(fn)i为随机试验仿真分析或类似结构卫星随机振动试验实测的i个关键点响应值；
(7)根据步骤(5)和步骤(6)计算“盈亏平衡”点
Figure FDA0002957639850000017
(8)根据盈亏平衡点进行卫星随机振动试验与噪声试验剪裁。
2.根据权利要求1所述的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法，其特征在于：所述步骤(8)中，当
Figure FDA0002957639850000021
时，噪声试验对该卫星地面验证更合适；当
Figure FDA0002957639850000022
时，随机振动试验对卫星的激励更有效。
3.根据权利要求1所述的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法，其特征在于：所述步骤(3)中，根据声试验谱的不同倍频程来剪裁计算带宽公式。
4.根据权利要求1所述的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法，其特征在于：所述步骤(6)中，品质因数Q取值为4.5。
5.根据权利要求1所述的卫星随机振动与噪声试验剪裁方法，其特征在于：所述步骤(6)中，βr和βa是选取的m个关键测点的算术平均值，m的最小值为1。
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