CN111964860B - 一种新型冲击响应数据判读方法 - Google Patents

Abstract

一种新型冲击响应数据判读方法，包括：对得到的航天器系统级冲击响应数据按照区域特征进行分类；根据时域响应，计算数据的SRS(Q＝10)曲线，画出区域内测点的冲击响应谱；采用数学统计方法对多条冲击响应谱曲线进行包络；计算平直谱包络的三大关键特征值，拐点频率，峰值，斜率；根据拐点频率，峰值，斜率画出最大包络。本发明提供了一种新型冲击响应数据判读方法，根据航天器系统级试验实测冲击响应数据制定组件冲击试验条件，判读过程只基于试验数据，无人工干预，有效提高卫星组件冲击试验条件制定的合理性和高效性，减少欠试验和过试验的发生，增强组件和单机冲击力学试验的可靠性和安全性。

Description

一种新型冲击响应数据判读方法

技术领域

本发明涉及一种新型冲击响应数据判读方法，属于力学试验技术领域。

背景技术

火工冲击环境是几乎所有航天器经历的最严酷的力学环境之一。火工装置在爆炸时会引起其邻近结构的剧烈局部瞬态机械响应，其中强烈的高频冲击会对晶振、继电器、陶瓷、环氧材料等产生破坏性的影响，造成仪器设备损伤或失效，严重时将直接危及航天器任务的正常完成，甚至造成任务整个失败。

因其高量级、瞬时的响应特征，目前对航天器火工冲击响应进行模拟预示分析的结果不够准确，均不能直接应用于型号研制过程中，因此，在航天器上粘贴冲击传感器并获取地面试验的实测冲击响应数据，进行冲击响应数据判读，并将其应用于组件和单机的力学冲击试验条件制定中，非常重要。目前冲击环境的严酷程度多用冲击响应谱表征，即用冲击载荷作用在结构系统上的效果来描述冲击。冲击响应谱是一系列不同频率、具有一定阻尼的线性单自由系统受到的冲击所产生的最大响应(位移、速度和加速度)与系统频率的关系曲线。

随着我国航天事业的发展，各类航天器和系列平台均积累了大量的试验数据，更深一步挖绝现有实测数据中的规律，对平台的优化、改进以及新型平台的研制不可或缺。目前已应用的试验数据判读方法存在以下缺点：①缺少根据冲击传感器测量数据得到冲击响应条件的直接方法；②数据处理判读人工主观性强，数据分析过程缺少科学的数据统计；③数据处理判读过程需要人为参与，难以实现大量数据的全自动无人工干预处理。

发明内容

本本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种新型冲击响应数据判读方法，克服了冲击响应数据处理和判读不准确、计算量大的问题。

本发明的技术方案是：

一种新型冲击响应数据判读方法，包括步骤如下：

1)解锁冲击试验

在星上布置多个响应测点，对星上冲击解锁机构进行解锁冲击试验，获得每个响应测点加速度-时间曲线作为时域响应数据；

2)时域转换频域

将步骤1)获得的时域响应数据，进行SRS频域转换，获得加速度-频率曲线作为频域响应数据；

3)根据步骤2)获得的所述频域响应数据，确定最大包络曲线；

4)划分区域，获得斜率确定曲线和常数确定曲线；

41)根据步骤3)所述最大包络曲线，确定区域划分频率值p；

42)根据步骤41)所述区域划分频率值p，将步骤3)所述最大包络曲线划分为两段曲线，将最大包络曲线中频率值小于区域划分频率值p的区域作为斜率确定曲线，将最大包络曲线中频率值大于或等于区域划分频率值p的区域作为常数确定曲线；

5)确定平直谱特征值，所述平直谱特征值包括：斜率k和常数值b；

51)根据斜率确定曲线，确定基础斜率曲线L1的斜率k；

52)根据常数确定曲线，确定定常数曲线L2的常数值b；定常数曲线L2的斜率等于0；

6)确定平直谱包络曲线

61)将步骤3)所述最大包络曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得最大包络曲线对应的对数频域曲线；

62)根据步骤51)所述基础斜率曲线L1的斜率k，根据步骤52)所述定常数曲线L2的常数值b，确定最大包络曲线对应对数频域曲线的平直谱包络曲线，将所述平直谱包络曲线作为卫星各组部件外力冲击试验曲线。

步骤1)所述解锁冲击试验为太阳翼解锁冲击试验、天线解锁冲击试验或星箭分离冲击试验中的任意一个。

步骤1)所述解锁冲击试验的冲击力来自星上分离解锁装置爆破时产生的冲击力。

步骤1)所述每个响应测点均布置3个传感器，用于获取三个正交方向上的加速度-时间曲线。

步骤3)所述确定最大包络曲线的方法，具体为：

从多条加速度-频率曲线中，提取每个频率点对应的加速度最大值，作为最大包络曲线的加速度值；其中，多个响应测点对应获得多条加速度-频率曲线。

步骤41)所述确定区域划分频率值p的方法，具体为：

411)获得最大包络曲线的波峰最大值F；

412)根据最大包络曲线所有波峰值确定波峰标准差e；

413)根据波峰最大值F和波峰标准差e，确定区域划分频率值p，p＝F-e。

步骤51)所述确定基础斜率曲线L1斜率k的方法，具体为：将斜率确定曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得斜率确定曲线对应的对数频域曲线，然后在对斜率确定曲线对应的对数频域曲线进行线性最小二乘拟合，将线性最小二乘拟合获得的斜率值作为基础斜率曲线L1的斜率k。

步骤52)所述确定定常数曲线L2的常数值b的方法，具体为：将斜率确定曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得常数确定曲线对应的对数频域曲线，取常数确定曲线对应的对数频域曲线纵坐标的最大值作为定常数曲线L2的常数值b。

步骤62)所述平直谱包络曲线满足如下条件：

平直谱包络曲线按横坐标由小至大，依次为斜线和水平线，所述斜线的斜率等于所述基础斜率曲线L1的斜率k，水平线的斜率为零，水平线的纵坐标等于所述定常数曲线L2的常数值b；且斜线部分的纵坐标值均大于外包络曲线对应位置的纵坐标值。

平直谱包络曲线斜线部分的纵坐标值大于外包络曲线对应位置的纵坐标值的0.2～0.6％。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明通过数据归纳、分类统计的方法提取数据曲线的特征值，计算过程无人工干预完全基于数据计算；

2)本发明可对大量试验数据进行统计分析并进行条件计算，对以往积累冲击响应数据进行自动外推，具有更好的工程可实施性；

3)本发明有效表征冲击试验条件的频谱特性，不局限于特定型号数据，对各类航天器力学冲击试验数据的处理分析和组件级力学冲击试验条件的制定工作有充分的可操作价值。

附图说明

图1为某卫星蜂窝板上某种点源火工品的时域冲击响应(左：中场测点，右：近场测点)；

图2为多个时域冲击响应对应的冲击响应谱曲线图(左：中场测点，右：近场测点)；

图3为对冲击响应谱进行统计包络(左：中场测点，右：近场测点)；

图4为根据包络线计算平直谱得到的冲击试验条件(左：中场测点，右：近场测点)；

图5为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明对冲击响应谱曲线进行特征分析，进行无人工干预冲击响应数据判读和试验条件制定。具体包括以下步骤：对得到的航天器系统级冲击响应数据按照区域特征进行分类；根据时域响应，计算数据的SRS(Q＝10)曲线，画出区域内测点的冲击响应谱；采用数学统计方法对多条冲击响应谱曲线进行包络；计算平直谱包络的三大关键特征值，拐点频率Finf(Hz)，峰值Fmax(g)，斜率Fslope(dB/oct)；根据拐点频率Finf，峰值Fmax，斜率Fslope画出最大包络。

本发明一种新型冲击响应数据判读方法如图5所示，包括步骤如下：

1)解锁冲击试验

在星上布置多个响应测点在关心冲击响应的地方布置。比如卫星的舱板上，或者组件的安装位置附近，对星上冲击解锁机构进行解锁冲击试验，获得每个响应测点在三个正交方向上的加速度-时间曲线作为时域响应数据；每一组时域数据的自变量为时间(s)，变量为加速度响应(g)；

所述解锁冲击试验包括：太阳翼解锁冲击试验、天线解锁冲击试验或星箭分离冲击试验任意之一。包括但不限于上述分离解锁装置的解锁冲击试验。

解锁冲击试验的冲击力来自星上分离解锁装置爆破时产生的冲击力；

解锁冲击试验为在卫星出厂前，验证星上太阳翼、天线等大部件能否正常展开，检验星上设备承受解锁冲击载荷能力的试验。解锁冲击试验中的试验数据，是卫星部组件抗冲击设计及制定卫星各组部件外力冲击试验输入量级的重要依据。

本发明实施例中每个响应测点均布置3个传感器，用于获取三个正交方向上的加速度-时间曲线。

2)时域转换频域

将步骤1)获得的时域响应数据，进行SRS频域转换，获得加速度-频率曲线作为频域响应数据；即计算每组数据的SRS(Q＝10)频域数值，每一组频域数据的自变量为频率/Hz，变量为加速度/g。SRS(Q＝10)表示获得放大因子Q＝10对应的频域响应数据。

3)根据步骤2)获得的所述频域响应数据，确定最大包络曲线；

步骤3)所述确定最大包络曲线的方法，具体为：

从多条加速度-频率曲线中，提取每个频率点对应的加速度最大值，作为最大包络曲线的加速度值；其中，多个响应测点对应获得多条加速度-频率曲线。

4)划分区域，获得斜率确定曲线和常数确定曲线

41)根据步骤3)所述最大包络曲线，确定区域划分频率值p；

411)获得最大包络曲线的波峰最大值F；

412)根据最大包络曲线所有波峰值确定波峰标准差e；

413)根据波峰最大值F和波峰标准差e，确定区域划分频率值p，p＝F-e。

42)根据步骤41)所述区域划分频率值p，将步骤3)所述最大包络曲线划分为两段曲线，将最大包络曲线中频率值小于区域划分频率值p的区域作为斜率确定曲线，将最大包络曲线中频率值大于或等于区域划分频率值p的区域作为常数确定曲线；

5)确定平直谱特征值，包括斜率k和常数值b；

51)根据斜率确定曲线，确定基础斜率曲线L1＝kx+a的斜率k；

具体为：将斜率确定曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得斜率确定曲线对应的对数频域曲线，然后在对斜率确定曲线对应的对数频域曲线进行线性最小二乘拟合，将线性最小二乘拟合获得的斜率值Fslope作为基础斜率曲线L1的斜率k；

52)根据常数确定曲线，确定定常数曲线L2＝b的常数值b；定常数曲线L2的斜率等于0；

具体为：将斜率确定曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得常数确定曲线对应的对数频域曲线，取对数频域曲线纵坐标的最大值作为定常数曲线L2的常数值b；

6)确定平直谱包络曲线

61)将步骤3)所述最大包络曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得最大包络曲线对应的对数频域曲线；

62)根据步骤51)所述基础斜率曲线L1的斜率k，根据步骤52)所述定常数曲线L2的常数值b，确定步骤61)所述最大包络曲线对应对数频域曲线的平直谱包络曲线，将所述平直谱包络曲线作为卫星各组部件外力冲击试验曲线。

步骤62)所述平直谱包络曲线满足如下条件：

外包络曲线按横坐标由小至大，依次为斜线和水平线，所述斜线的斜率等于所述基础斜率曲线L1的斜率k，水平线的斜率为零，水平线的纵坐标等于所述定常数曲线L2的常数值b；且斜线部分的纵坐标值均大于外包络曲线对应位置的纵坐标值；斜线部分的纵坐标值大于外包络曲线对应位置的纵坐标值的0.2～0.6％。其中，斜线和水平线的交点作为平直谱的拐点频率Finf。

卫星各组部件外力冲击试验曲线的工程意义在于：卫星各组部件外力冲击试验是部组件在研制过程中或装上卫星前进行的冲击试验。试验中将部组件安装在冲击试验台上，通过摆锤或气锤撞击试验台形成冲击载荷。试验中在部组件的安装位置处粘贴加速度传感器监测对部组件的冲击输入。在外力冲击试验前后监测部组件的功能/性能，功能/性能正常即为通过试验考核。获得解锁冲击试验中的试验数据并进行合理判读，是制定卫星各组部件外力冲击试验输入量级的关键。

区域特征为本方法使用者所关心的卫星舱板不同区域，如可将整个卫星划分为对地板，南/北板，东/西板，中板等不同区域，对不同区域分别进行之后的步骤。

实施例1

某卫星舱板上安装了某种点源火工品，需要制定该卫星舱板上该种火工品的近场及中场冲击试验条件，需关注的频段为10-10000Hz。本发明的实现步骤如下：

1、用冲击传感器测量该种火工品的近场及中场冲击时域载荷，所测近场及中场时域冲击载荷如图1所示；

2、根据所测时域载荷计算冲击响应谱，如图2所示；

3、利用统计方法对区域内多条冲击响应谱曲线进行统计包络，得到如图3所示包络曲线；

4、对统计包络线进行进行特征提取，计算拐点频率、峰值和斜率，得到如图4所示的冲击试验条件。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种新型冲击响应数据判读方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)解锁冲击试验

在星上布置多个响应测点，对星上冲击解锁机构进行解锁冲击试验，获得每个响应测点加速度-时间曲线作为时域响应数据；

2)时域转换频域

将步骤1)获得的时域响应数据，进行SRS频域转换，获得加速度-频率曲线作为频域响应数据；

3)根据步骤2)获得的所述频域响应数据，确定最大包络曲线；从多条加速度-频率曲线中，提取每个频率点对应的加速度最大值，作为最大包络曲线的加速度值；其中，多个响应测点对应获得多条加速度-频率曲线；

4)划分区域，获得斜率确定曲线和常数确定曲线；

41)根据步骤3)所述最大包络曲线，确定区域划分频率值p；具体为：

411)获得最大包络曲线的波峰最大值F；

412)根据最大包络曲线所有波峰值确定波峰标准差e；

413)根据波峰最大值F和波峰标准差e，确定区域划分频率值p，p＝F-e；

42)根据步骤41)所述区域划分频率值p，将步骤3)所述最大包络曲线划分为两段曲线，将最大包络曲线中频率值小于区域划分频率值p的区域作为斜率确定曲线，将最大包络曲线中频率值大于或等于区域划分频率值p的区域作为常数确定曲线；

5)确定平直谱特征值，所述平直谱特征值包括：斜率k和常数值b；

51)根据斜率确定曲线，确定基础斜率曲线L1的斜率k；

52)根据常数确定曲线，确定定常数曲线L2的常数值b；定常数曲线L2的斜率等于0；

6)确定平直谱包络曲线

61)将步骤3)所述最大包络曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得最大包络曲线对应的对数频域曲线；

62)根据步骤51)所述基础斜率曲线L1的斜率k，根据步骤52)所述定常数曲线L2的常数值b，确定最大包络曲线对应对数频域曲线的平直谱包络曲线；平直谱包络曲线按横坐标由小至大，依次为斜线和水平线，所述斜线的斜率等于所述基础斜率曲线L1的斜率k，水平线的斜率为零，水平线的纵坐标等于所述定常数曲线L2的常数值b；且斜线部分的纵坐标值均大于最大包络曲线对应位置的纵坐标值；将所述平直谱包络曲线作为卫星各组部件外力冲击试验曲线；

步骤51)所述确定基础斜率曲线L1斜率k的方法，具体为：将斜率确定曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得斜率确定曲线对应的对数频域曲线，然后在对斜率确定曲线对应的对数频域曲线进行线性最小二乘拟合，将线性最小二乘拟合获得的斜率值作为基础斜率曲线L1的斜率k；

步骤52)所述确定定常数曲线L2的常数值b的方法，具体为：将常数确定曲线的横纵坐标均以10为底取对数值，获得常数确定曲线对应的对数频域曲线，取常数确定曲线对应的对数频域曲线纵坐标的最大值作为定常数曲线L2的常数值b。

2.根据权利要求1所述的一种新型冲击响应数据判读方法，其特征在于，步骤1)所述解锁冲击试验为太阳翼解锁冲击试验、天线解锁冲击试验或星箭分离冲击试验中的任意一个。

3.根据权利要求1所述的一种新型冲击响应数据判读方法，其特征在于，步骤1)所述解锁冲击试验的冲击力来自星上分离解锁装置爆破时产生的冲击力。

4.根据权利要求1所述的一种新型冲击响应数据判读方法，其特征在于，步骤1)所述每个响应测点均布置3个传感器，用于获取三个正交方向上的加速度-时间曲线。

5.根据权利要求1所述的一种新型冲击响应数据判读方法，其特征在于，平直谱包络曲线斜线部分的纵坐标值大于最大包络曲线对应位置的纵坐标值的0.2～0.6％。

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