CN112182777B - 仪器支架的动特性分析方法、系统、终端及介质 - Google Patents

仪器支架的动特性分析方法、系统、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种仪器支架的动特性分析方法、系统、终端及介质，涉及运载火箭技术。所述方法，包括：采用有限元仿真对待分析的仪器支架的振动特性进行分析，得到分析结果，根据所述分析结果确定所述仪器支架放大倍数；在所述放大倍数不满足相应要求时，触发对所述仪器支架进行结构调整，直至所述放大倍数满足相应要求。

Description

仪器支架的动特性分析方法、系统、终端及介质
技术领域
本申请涉及运载火箭技术，尤其是涉及一种仪器支架的动特性分析方法、系统、终端及介质。
背景技术
根据以往项目研制经验及教训，舱壁仪器支架存在振动环境放大严重(放大10倍以上)的问题，由于该问题一般在研制阶段的系统级试验中发现，甚至被忽略，对仪器地面试验的有效性、产品的环境适应性等均有较大危害，给项目研制进度和飞行可靠性埋下严重隐患。相关技术中，通常利用传统的“后验式”振动环境管控方法，对于地面振动试验依赖性较大。
发明内容
本申请实施例提供一种仪器支架的动特性分析方法、系统、终端及介质，用于克服相关技术中的问题。
本申请实施例第一方面提供一种仪器支架的动特性分析方法，包括：
采用有限元仿真对待分析的仪器支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
根据所述分析结果确定所述仪器支架放大倍数；
在所述放大倍数不满足相应要求时，触发对所述仪器支架进行结构调整，直至所述放大倍数满足相应要求。
本申请实施例第二方面提供一种仪器支架的动特性分析系统，包括：
第一处理模块，用于采用有限元仿真对待分析的仪器支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
第二处理模块，用于根据所述分析结果确定所述仪器支架放大倍数；还用于在所述放大倍数不满足相应要求时，触发对所述仪器支架进行结构调整，直至所述放大倍数满足相应要求。
本申请实施例第三方面提供一种终端，包括：
存储器；
处理器；以及
计算机程序；
其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如前述所述的方法。
本申请实施例第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如前述所述的方法。
本申请实施例提供一种仪器支架的动特性分析方法、系统、终端及介质，通过采用有限元仿真是研究仪器支架模态、放大倍数等动特性指标的有效手段，在设计初期，采用有限元仿真进行仪器支架动特性分析，为支架动特性设计提供可靠的分析依据，从而在设计初期实现支架的动特性设计，能够解决先生产、后试验、再优化所导致的反复过程，也能够解决箭上仪器支架动特性管控对地面试验的强依赖性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为一示例性实施例提供的方法的流程示意图；
图2为另一示例性实施例提供的方法的流程示意图；
图3为一示例性实施例提供的有限元建模的流程示意图；
图4为一示例性实施例提供的系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
根据以往项目研制经验及教训，舱壁仪器支架存在振动环境放大严重(放大10倍以上)的问题，由于该问题一般在研制阶段的系统级试验中发现，甚至被忽略，对仪器地面试验的有效性、产品的环境适应性等均有较大危害，给项目研制进度和飞行可靠性埋下严重隐患。相关技术中，通常利用传统的“后验式”振动环境管控方法，对于地面振动试验依赖性较大。
为了克服上述技术问题，本申请实施例提供一种仪器支架的动特性分析方法、系统、终端及介质，通过采用有限元仿真是研究仪器支架模态、放大倍数等动特性指标的有效手段，在设计初期，采用有限元仿真进行仪器支架动特性分析，为仪器支架动特性设计提供可靠的分析依据，从而在设计初期实现仪器支架的动特性设计，且避免了对地面试验的依赖。
下面结合附图对本实施例提供的运载火箭仪器支架的振动分析方法进行举例说明。
如图1及图2所示，本实施例提供的仪器支架的动特性分析方法，包括：
S101、采用有限元仿真对待分析的仪器支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
S102、根据分析结果确定仪器支架放大倍数；
S103、在放大倍数不满足相应要求时，触发对仪器支架进行结构调整，直至放大倍数满足相应要求。
在步骤S101之前，对支架初始设计，也即，支架初始方案设计。根据仪器的空间布局和尺寸参数对支架进行初始设计，使其满足仪器的安装空间要求。
在确定仪器支架初始方案后，可利用CAE(计算机辅助工程方法，Computer AidedEngineering)技术对于仪器支架的振动特性进行初步分析，识别可能导致风险的仪器支架振动特性类别，并明确仪器支架振动特性的设计约束。其中，初始方案包括结构参数及几何参数。利用CAE技术对于仪器支架的振动特性进行初步分析。选取所关心的振动特性，例如频率特性、放大倍数、模态振型、动应力水平等。
示例性地，在步骤S101中，包括：
对仪器支架及相应的仪器进行有限元建模；
通过计算机辅助工程方法进行模态分析，得到模态振型分析结果及固有频率；
进行随机响应分析，得到仪器支架的振动响应。
有限元建模。仪器支架建模过程中考虑支架厚度、螺钉、螺钉安装孔、金属翻边、局部倒圆角等特征，以真实反映支架结构特性，为力学环境分析得到较为精确的分析结果提供重要基础。在进行结构连接的建模中，要求如下：
a)所述仪器近似处理为其质心处含转动惯量的质量点；
b)所述仪器近似处理成的质量点与仪器支架上的仪器安装孔之间通过弹簧-阻尼系统连接；
c)弹簧-阻尼系统通过两点间的连线来定义，线的一端与仪器支架上的仪器安装孔内壁面刚性耦合，线的另一端与仪器近似处理成的质量点刚性耦合；
d)在仪器支架与舱体安装用的螺钉孔、铆钉孔处施加固支边界条件。
根据多次支架结构振动试验实测和有限元校模的结果，系统的阻尼系数取0.01-0.08。
如图3所示，有限元建模具体可包括：确定单位制；建立几何模型；划分网格；网格检查；判断网格质量是否满足质量要求；在不满足质量要求时，重新划分网格；在满足质量要求时，定义材料、定义并赋予单元属性、选择单元类型；模型装配；定义作用关系；施加载荷及边界条件。
动特性分析。在模态分析过程中，采用有限元软件进行支架模态分析，得到模态振型和频率，分析频率不小于2000Hz。在随机响应分析过程中，在模态分析基础上，采用有限元软件CAE进行仪器支架随机响应分析，给仪器支架的铆钉孔或螺钉孔施加基础的振动环境条件，可以得到仪器支架各部位的振动响应，包括功率谱密度和总均方根值。
在步骤S102中，根据振动响应的均方根值，将各均方根值的平均值作为支架的输出响应，根据输出响应与输入激励的比值作确定仪器支架的放大倍数。
在具体实现时，选取支架上仪器安装孔附近的典型特征点，输出各点处响应的均方根值，取各点响应均方根值的平均值作为支架的输出响应，输出响应与输入激励的比值作为支架的放大倍数。其中，典型特征点按照仪器安装孔直径的两倍选取，沿圆周均布四个特征点。
在步骤S103中，判断动特性是否满足要求，若是，则确定支架设计方案；否则，结构优化设计。根据得到的仪器支架的放大倍数，若放大倍数满足要求，则按此方案设计；若不满足要求，则进行支架的结构优化，加强薄弱环节，重新进行有限元建模计算，直到放大倍数满足要求。形成设计闭环。
其中，结构优化，可包括：局部刚度调整：对于仪器支架振动放大倍数较大的局部进行刚度增强，加厚钣金件厚度或增加辅助支撑；安装界面阻尼调整：通过调整安装形式及固定形式对于安装界面的阻尼进行调整；仪器支架结构形式调整：根据振动放大的方向调整仪器支架结构形式，从而避免某个方向上的振动放大过大。对改进后的仪器支架重新开展仿真分析，直至仪器支架的振动放大倍数满足要求为止。
具体地，在仪器支架有部位的刚度小于或等于第一阈值时，对部位增加辅助支撑，以增加部位的刚度，直至部位的刚度达到第一阈值。
在仪器支架的安装界面的阻尼小于或等于第二阈值时，对仪器与仪器支架的安装结构进行调整，以增大安装界面的阻尼，直至安装界面的阻尼大于第二阈值。
在仪器支架沿第一方向的振动放大倍数大于仪器支架沿第二方向的振动放大倍数时，对仪器支架的结构进行调整，直至仪器支架沿第一方向的振动放大倍数与沿第二方向的振动放大倍数的差值小于第三阈值。
其中，上述各阈值可根据实际需要来设置，本实施例此处不做具体限定。
通过对仪器支架的局部刚度或安装界面阻尼或结构调整，对调整后的支架重新开展仿真分析，直至仪器支架的分析结果满足相应要求，直至支架振动放大倍数满足要求为止。
本实施例可以进行不同仪器支架放大倍数等动特性的分析和设计，提高仪器支架的环境适应性，从而在设计初期实现支架的动特性设计，避免反复。
本实施例提出了基于虚实结合试验的箭上仪器支架动特性分析，运用基于动力学仿真的支架优化设计方法，实现了基于“仿真分析-设计优化”闭环链路的箭上仪器支架的动特性管控，能够解决先生产、后试验、再优化所导致的反复过程，解决箭上仪器支架动特性管控对地面试验的强依赖性，避免了地面试验的反复过程，满足商业的运载火箭低成本、高可靠、精细化、敏捷化的需求。
另外，可以理解的是：本实施例未作说明的部分，可采用本领域的常规技术。
本实施例还提供一种仪器支架的动特性分析系统，其是与前述方法实施例相对应的产品实施例，其与前述实施例相同之处，本实施例此处不再赘述。
如图4所示，本实施例提供的仪器支架的动特性分析系统，包括：
第一处理模块11，用于采用有限元仿真对待分析的仪器支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
第二处理模块12，用于根据分析结果确定仪器支架放大倍数；还用于在放大倍数不满足相应要求时，触发对仪器支架进行结构调整，直至放大倍数满足相应要求。
在其中一种可能的实现方式中，第一处理模块11具体用于：
对仪器支架及相应的仪器进行有限元建模；
通过计算机辅助工程方法进行模态分析，得到模态振型分析结果及固有频率；
进行随机响应分析，得到仪器支架的振动响应。
在其中一种可能的实现方式中，进行有限元建模时的约束条件，包括：
所述仪器近似处理为其质心处含转动惯量的质量点；
所述仪器近似处理成的质量点与仪器支架上的仪器安装孔之间通过弹簧-阻尼系统连接；
弹簧-阻尼系统通过两点间的连线来定义，线的一端与仪器支架上的仪器安装孔内壁面刚性耦合，线的另一端与仪器近似处理成的质量点刚性耦合；
在仪器支架与舱体安装用的螺钉孔、铆钉孔处施加固支边界条件。
在其中一种可能的实现方式中，第二处理模块12具体用于：
进行随机响应分析，给仪器支架的铆钉孔或螺钉孔施加基础的振动环境条件，得到仪器支架的振动响应。
在其中一种可能的实现方式中，第二处理模块12具体用于：
根据振动响应的均方根值，将各均方根值的平均值作为支架的输出响应，根据输出响应与输入激励的比值作确定仪器支架的放大倍数。
本实施例提出了基于虚实结合试验的箭上仪器支架动特性分析，运用基于动力学仿真的仪器支架优化设计方法，实现了基于“仿真分析-设计优化”闭环链路的箭上仪器支架的动特性管控，能够解决先生产、后试验、再优化所导致的反复过程，解决箭上仪器支架动特性管控对地面试验的强依赖性，避免了地面试验的反复过程，满足商业的运载火箭低成本、高可靠、精细化、敏捷化的需求。
本实施例提供一种终端仪器，包括：
存储器；
处理器；以及
计算机程序；
其中，计算机程序存储在存储器中，并被配置为由处理器执行以实现相应的方法。
存储器用于存储计算机程序，处理器在接收到执行指令后，执行计算机程序，前述相应实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。
存储器可能包含高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器可通过至少一个通信接口(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，实施例一揭示的方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的相应方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件单元组合执行完成。软件单元可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；计算机程序被处理器执行以相应的方法。其具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
需要说明的是：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个单元、程序段或代码的一部分，单元、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、仪器(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理仪器的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理仪器的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理仪器以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理仪器上，使得在计算机或其他可编程仪器上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程仪器上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种仪器支架的动特性分析方法，其特征在于，包括：
采用有限元仿真对待分析的仪器支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
根据所述分析结果确定所述仪器支架放大倍数；
在所述放大倍数不满足相应要求时，触发对所述仪器支架进行结构调整，直至所述放大倍数满足相应要求；
所述结构调整包括：
局部刚度调整：对于仪器支架振动放大倍数大的局部进行刚度增强，加厚钣金件厚度或增加辅助支撑；
安装界面阻尼调整：通过调整安装形式及固定形式对于安装界面的阻尼进行调整；
仪器支架结构形式调整：根据振动放大的方向调整仪器支架结构形式，从而避免某个方向上的振动放大过大。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用有限元仿真对待分析的仪器支架的振动特性进行分析，得到分析结果，包括：
对所述仪器支架及相应的仪器进行有限元建模；
通过计算机辅助工程方法进行模态分析，得到模态振型分析结果及固有频率；
根据所述模态振型分析结果及固有频率进行随机响应分析，得到所述仪器支架的振动响应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进行有限元建模时的约束条件包括：
所述仪器近似处理为其质心处含转动惯量的质量点；
所述仪器近似处理成的质量点与仪器支架上的仪器安装孔之间通过弹簧-阻尼系统连接
弹簧-阻尼系统通过两点间的连线来定义，线的一端与仪器支架上的仪器安装孔内壁面刚性耦合，线的另一端与仪器近似处理成的质量点刚性耦合；
在仪器支架与舱体安装用的螺钉孔、铆钉孔处施加固支边界条件。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述进行随机响应分析，得到所述仪器支架的振动响应，包括：
进行随机响应分析，给所述仪器支架的铆钉孔或螺钉孔施加基础的振动环境条件，得到所述仪器支架的振动响应。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述分析结果确定所述仪器支架放大倍数，包括：
根据所述振动响应的均方根值，将各所述均方根值的平均值作为支架的输出响应，根据所述输出响应与输入激励的比值确定所述仪器支架的放大倍数。
6.一种仪器支架的动特性分析系统，其特征在于，包括：
第一处理模块，用于采用有限元仿真对待分析的仪器支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
第二处理模块，用于根据所述分析结果确定所述仪器支架放大倍数；还用于在所述放大倍数不满足相应要求时，触发对所述仪器支架进行结构调整，直至所述放大倍数满足相应要求；
所述结构调整包括：
局部刚度调整：对于仪器支架振动放大倍数大的局部进行刚度增强，加厚钣金件厚度或增加辅助支撑；
安装界面阻尼调整：通过调整安装形式及固定形式对于安装界面的阻尼进行调整；
仪器支架结构形式调整：根据振动放大的方向调整仪器支架结构形式，从而避免某个方向上的振动放大过大。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一处理模块具体用于：
对所述仪器支架及相应的仪器进行有限元建模；
通过计算机辅助工程方法进行模态分析，得到模态振型分析结果及固有频率；
进行随机响应分析，得到所述仪器支架的振动响应。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，进行有限元建模时的约束条件，包括：
所述仪器近似处理为其质心处含转动惯量的质量点；
所述仪器近似处理成的质量点与仪器支架上的仪器安装孔之间通过弹簧-阻尼系统连接；
弹簧-阻尼系统通过两点间的连线来定义，线的一端与仪器支架上的仪器安装孔内壁面刚性耦合，线的另一端与仪器近似处理成的质量点刚性耦合；
在仪器支架与舱体安装用的螺钉孔、铆钉孔处施加固支边界条件。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二处理模块具体用于：
进行随机响应分析，给所述仪器支架的铆钉孔或螺钉孔施加基础的振动环境条件，得到所述仪器支架的振动响应。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二处理模块具体用于：
根据所述振动响应的均方根值，将各所述均方根值的平均值作为支架的输出响应，根据所述输出响应与输入激励的比值确定所述仪器支架的放大倍数。
11.一种终端，其特征在于，包括：
存储器；
处理器；以及
计算机程序；
其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
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