CN112182778B - 运载火箭设备支架的振动分析方法、装置、终端及介质 - Google Patents

运载火箭设备支架的振动分析方法、装置、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种运载火箭设备支架的振动分析方法、系统、终端及介质，涉及运载火箭技术。所述方法，包括：通过计算机辅助工程方法对待分析的设备支架的振动特性进行分析，得到分析结果；将所述分析结果不满足相应要求的所述设备支架进行迭代优化设置，直至所述设备支架的分析结果满足相应要求。

Description

运载火箭设备支架的振动分析方法、装置、终端及介质
技术领域
本申请涉及运载火箭技术，尤其是涉及一种运载火箭设备支架的振动分析方法、系统、终端及介质。
背景技术
商业的运载火箭在飞行过程中，设备支架对于气动噪声带来的振动进行量级上的放大，进而使箭上设备经受恶劣的振动环境，可能引起设备失效从而导致任务失败。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，传统的优化过程采用“经验设计-产品生产-试验验证-设计改进”的工作流程，且对箭上设备支架振动特性指标采用“一刀切”式的要求，造成设备振动振动特性管控需耗费大量的成本和时间，无法满足商业运载火箭低成本及快速研制的需求。
发明内容
本申请实施例中提供一种运载火箭设备支架的振动分析方法、系统、终端及介质。
本申请实施例第一方面提供一种运载火箭设备支架的振动分析方法，包括：
通过计算机辅助工程方法对待分析的设备支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
将所述分析结果不满足相应要求的所述设备支架进行迭代优化设置，直至所述设备支架的分析结果满足相应要求
本申请实施例第二方面提供一种运载火箭设备支架的振动分析系统，包括：
第一处理模块，用于通过计算机辅助工程方法对待分析的设备支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
第二处理模块，用于将所述分析结果不满足相应要求的所述设备支架进行迭代优化设置，直至所述设备支架的分析结果满足相应要求
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运载火箭设备支架的振动分析方法、系统、终端及介质，提出了基于虚实结合试验的箭上设备支架动力学管控方法，对于设备支架振动管控提出精细化要求，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”闭环链路的箭上设备支架动力学管控，解决了箭上设备支架动力学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。
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。
商业的运载火箭在飞行过程中，设备支架对于气动噪声带来的振动进行量级上的放大，进而使箭上设备经受恶劣的振动环境，可能引起设备失效从而导致任务失败。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，传统的优化过程采用“经验设计-产品生产-试验验证-设计改进”的工作流程，且对箭上设备支架振动特性指标采用“一刀切”式的要求，造成设备振动振动特性管控需耗费大量的成本和时间，无法满足商业运载火箭低成本及快速研制的需求。
为了克服上述问题，本申请实施例提供一种运载火箭设备支架的振动分析方法、系统、终端及介质，提出了基于虚实结合试验的箭上设备支架动力学管控方法，对于设备支架振动管控提出精细化要求，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”闭环链路的箭上设备支架动力学管控，解决了箭上设备支架动力学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。
下面结合附图对本实施例提供的运载火箭设备支架的振动分析方法进行举例说明。
如图1所示，本实施例提供一种运载火箭设备支架的振动分析方法，包括：
S101、通过计算机辅助工程方法对待分析的设备支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
S102、将分析结果不满足相应要求的设备支架进行迭代优化设置，直至设备支架的分析结果满足相应要求。
在步骤S101中，在方案设计阶段确定仪器设备支架初始方案后，利用CAE(计算机辅助工程方法，Computer Aided Engineering)技术对于设备支架的振动特性进行初步分析，识别可能导致风险的设备支架振动特性类别，并明确设备支架振动特性的设计约束。如图2所示，其中，初始方案包括结构参数及几何参数。CAE技术对于设备支架的振动特性进行初步分析，也即CAE环境分析。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。
在步骤S102中，开展设备支架关键振动特性的精确预示，对于不满足设计要求的设备支架迭代进行结构优化，直至形成设计闭环。进行设备支架的振动特征预示。判断振动特性是否满足要求；在不满足要求时，进行结构优化及预示；在满足要求时，则可确定支架方案，支架生产，试验验证；试验的振动特性是否满足要求，若不满足，则进行结构优化并再次试验验证，若满足则该设备支架可投入使用。
在步骤S102之前，还包括：
分别获取第一类设备支架、第二类设备支架及第三类设备支架的振动特性要求；第一类设备支架为影响飞行成败的关键设备支架；第二类设备支架为影响任务过程的重要设备支架；第三类设备支架为不影响飞行试验成败的一般设备支架。
具体地，明确支架振动特性设计要求。按照设备影响成败的关键程度，将商业运载火箭箭上设备分为三类：第一类支架为影响飞行成败的关键设备支架；第二类支架为影响任务过程的重要设备支架；第三类支架为不影响飞行试验成败的一般设备支架。
针对影响任务成败的关键设备的设备支架，基于振动环境、弹性、控制回路等各专业之间的耦合分析，明确设备支架的关键振动特性类别及要求。振动特性类别包括共振频率、振动放大倍数、动应力、幅频特性，对应的振动特性的要求为基频最低值(F0)、放大倍数最大值(Am)、动强度最小值(Sm)、一定频段内的幅频特性最大值(Bm)。其中，第二类支架的振动特性要求为第一类支架相应要求与相应系数的乘积。第三类支架的振动特性要求为第一类支架相应要求与相应系数的乘积。具体如表1所示。
表1设备支架振动放大倍数精细化要求表
振动特征 第一类支架 第二类支架 第三类支架
F<sub>0</sub> F<sub>1</sub> b<sub>1</sub>*F<sub>1</sub> c<sub>1</sub>*F<sub>1</sub>
A<sub>m</sub> A<sub>m1</sub> b<sub>2</sub>*A<sub>m1</sub> c<sub>2</sub>*A<sub>m1</sub>
S<sub>m</sub> S<sub>m1</sub> b<sub>3</sub>*S<sub>m1</sub> c<sub>3</sub>*S<sub>m1</sub>
B<sub>m</sub> B<sub>m1</sub> b<sub>4</sub>*B<sub>m1</sub> c<sub>4</sub>*B<sub>m1</sub>
表中，b1～b4和c1～c4表示对第二类支架和第三类支架要求值在第一类支架基础上的放宽权重，权重系数的值可以根据型号风险管控的总要求确定。
在步骤S101中，可包括：
对设备支架及相应的设备进行有限元建模；
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，获取所述设备支架的振动响应；
根据所述振动响应，得到所述设备支架的振动特性指标。
其中，在进行有限元建模时，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，在进行结构连接的建模中要求包括如下：
设备上的螺钉与设备支架的螺钉孔采用固定连接；
设备支架上的螺钉孔与运载火箭基础刚性连接；
设备支架的翻边与运载火箭基础处理为接触连接；
设备近似处理为刚体；
在螺钉孔、铆钉孔处施加绑定(Tie)或固支(Fixed)边界条件。
根据设备支架的结构振动试验实测和有限元校模的结果，系统的阻尼系数可取1％。有限元模型网格尽量采用六面体，并进行收敛性检验。
在模态分析时，采用CAE软件进行模态分析，得到的模态振型分析结果及固有频率，要求分析到2000Hz。并将模态分析的固有频率与根据试验实测传递函数识别出来的低频谐振峰进行对比，以验证结构模态分析结果的正确性，一般要求仿真分析所得固有频率与试验实测值之间的差异不大于5％。
在进行随机振动分析时，在CAE软件中给支架的铆钉孔或螺钉孔施加鉴定量级的振动环境条件，可以得到结构各部位的振动响应，包括功率谱密度和总均方根值，输出典型位置的振动响应。
确定振动特性指标。对于支架本身的振动特性进行分析，得到支架基频、放大倍数、动应力、幅频特性等具体指标。以放大倍数为例，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S102中，面向关键振动特性要求，开展迭代优化设计。根据仿真分析结果，针对不满足环境管控要求的支架进行设计优化，结构优化方法包括：局部刚度调整：对于设备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；设备支架结构形式调整：根据振动放大的方向调整设备支架结构形式，从而避免某个方向上的振动放大过大。对改进后的设备支架重新开展仿真分析，直至设备支架的振动放大倍数满足要求为止。
具体地，在设备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。
在设备支架的安装界面的阻尼小于或等于第二阈值时，对设备与设备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。
在设备支架沿第一方向的振动放大倍数大于设备支架沿第二方向的振动放大倍数时，对设备支架的结构进行调整，直至设备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。
通过对设备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，直至设备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。
在步骤S102之后，还包括：开展支架振动特性试验，对于支架振动特性进行验证。具体地，对安装有相应设备的设备支架进行振动试验，获取设备支架的振动特性指标；在设备支架的振动特性指标满足相应要求时，确定验证通过；在设备支架的振动特性指标不满足相应要求时，进行迭代优化设计，直至满足相应要求，确保所有设备支架的实际振动风险受控。
其中，设备支架的振动特性指标满足相应要求，可以包括：设备支架的振动特性指标的振动放大倍数分别满足相应的要求(如表1中的相应值)。
本实施例提出了支架振动特性精细化管控方法，通过多专业耦合分析建立支架分类原则，提出精细化的支架振动放大倍数设计要求，有效避免了要求宽泛所导致的产品设计过度保守的问题，提升了设计的精细化水平。本实施例还提出了虚实结合的支架振动特性优化方法，以计算机仿真和振动试验综合的方法，对于支架的振动放大倍数进行全面管控，形成了支架振动特性方案设计的闭环，解决了先生产、后试验、再优化所导致的反复过程，降低了研发成本。
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运载火箭设备支架的振动分析系统，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2所示，本实施例提供的运载火箭设备支架的振动分析系统，包括：
第一处理模块11，用于通过计算机辅助工程方法对待分析的设备支架的振动特性进行分析，得到分析结果；
第二处理模块12，用于将分析结果不满足相应要求的设备支架进行迭代优化设置，直至设备支架的分析结果满足相应要求。
在其中一种可能的实现方式中，第一处理模块11具体用于：
对设备支架及相应的设备进行有限元建模；
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，获取所述设备支架的振动响应；
根据所述振动响应，得到所述设备支架的振动特性指标。
在进行有限元建模时，包括：
设备上的螺钉与设备支架的螺钉孔采用固定连接；
设备支架上的螺钉孔与运载火箭基础刚性连接；
设备支架的翻边与运载火箭基础处理为接触连接；
设备近似处理为刚体；
在螺钉孔、铆钉孔处施加绑定或固支边界条件。
在其中一种可能的实现方式中，第二处理模块12具体用于：
在设备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。
在其中一种可能的实现方式中，第二处理模块12具体用于：
在设备支架的安装界面的阻尼小于或等于第二阈值时，对设备与设备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。
在其中一种可能的实现方式中，第二处理模块12具体用于：
在设备支架沿第一方向的振动放大倍数大于设备支架沿第二方向的振动放大倍数时，对设备支架的结构进行调整，直至设备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。
在其中一种可能的实现方式中，第二处理模块12具体用于：
将分析结果不满足相应要求的设备支架进行迭代优化设置，直至设备支架的分析结果满足相应要求，包括：
对设备支架的局部刚度或安装界面阻尼或结构调整，至设备支架的分析结果满足相应要求。
在其中一种可能的实现方式中，第二处理模块12还用于：
对安装有相应设备的设备支架进行振动试验，获取设备支架的振动特性指标；
在设备支架的振动特性指标满足相应要求时，确定验证通过。
在其中一种可能的实现方式中，还包括：
第三处理模块，用于分别获取第一类设备支架、第二类设备支架及第三类设备支架的振动特性要求；第一类设备支架为影响飞行成败的关键设备支架；第二类设备支架为影响任务过程的重要设备支架；第三类设备支架为不影响飞行试验成败的一般设备支架。
本实施例提供一种终端设备，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、设备(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设备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设备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设备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设备上，使得在计算机或其他可编程设备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设备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 (6)

1.一种运载火箭设备支架的振动分析方法，其特征在于，包括：
通过计算机辅助工程方法对待分析的设备支架的振动特性进行分析，得到分析结果；包括：
对所述设备支架及相应的设备进行有限元建模；
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，获取所述设备支架的振动响应；
根据所述振动响应，得到所述设备支架的振动特性指标；
将所述分析结果不满足相应要求的所述设备支架进行迭代优化设置，直至所述设备支架的分析结果满足相应要求；包括：
在所述设备支架有部位的刚度小于或等于第一阈值时，对所述部位增加辅助支撑，以增加所述部位的刚度，直至所述部位的刚度达到所述第一阈值；
在所述设备支架的安装界面的阻尼小于或等于第二阈值时，对所述设备与设备支架的安装结构进行调整，以增大所述安装界面的阻尼，直至所述安装界面的阻尼大于所述第二阈值；
在所述设备支架沿第一方向的振动放大倍数大于所述设备支架沿第二方向的振动放大倍数时，对所述设备支架的结构进行调整，直至所述设备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；
对所述设备支架的局部刚度或安装界面阻尼或结构调整，直至所述设备支架的分析结果满足相应要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行有限元建模时，包括：
所述设备上的螺钉与设备支架的螺钉孔采用固定连接；
所述设备支架上的螺钉孔与运载火箭基础刚性连接；
所述设备支架的翻边与运载火箭基础处理为接触连接；
所述设备近似处理为刚体；
在螺钉孔、铆钉孔处施加绑定或固支边界条件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述分析结果不满足相应要求的所述设备支架进行迭代优化设置，直至所述设备支架的分析结果满足相应要求之后，还包括：
对安装有相应设备的设备支架进行振动试验，获取所述设备支架的振动特性指标；
在所述设备支架的振动特性指标满足相应要求时，确定验证通过。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述分析结果不满足相应要求的所述设备支架进行迭代优化设置，直至所述设备支架的分析结果满足相应要求之前，还包括：
分别获取第一类设备支架、第二类设备支架及第三类设备支架的振动特性要求；所述第一类设备支架为影响飞行成败的关键设备支架；所述第二类设备支架为影响任务过程的重要设备支架；所述第三类设备支架为不影响飞行试验成败的一般设备支架。
5.一种终端，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1-4任一项所述的方法。
6.一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1-4任一项所述的方法。
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