CN114166443A - 一种仪器安装结构组件动包络干涉测试与改进方法 - Google Patents
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Abstract
一种仪器安装结构组件动包络干涉测试与改进方法，包括如下步骤：确定仪器安装结构组件的方案；采用锤击激励法进行仪器安装结构组件的模态试验；进行仪器安装结构组件的正弦扫描低频振动试验；对模态试验结果和振动试验结果，采用频率正弦扫描曲线突变法和理论计算法对仪器安装结构组件可能存在的动包络干涉进行识别；识别结果存在动包络干涉时，利用提高结构一阶频率的方法进行改进；对改进后的仪器安装结构组件进行验证，直到仪器安装结构组件不存在动包络干涉。
Description
技术领域
本发明涉及一种仪器安装结构组件动包络干涉测试与改进方法，属于空天飞行器结构载荷与力学环境领域。
背景技术
飞行器结构设计和装配过程中因此尺寸关系和空间限制约束，静态干涉的情况较多，动态干涉的情况一般较少，这主要因为一般结构设计过程中会开展强度和刚度校核，但是随着航天器轻量化发展，强度和刚度余量越来越低，然后在随火箭上升过程中经历低频振动环境，可能导致内部结构之间的动态干涉，这给飞行器成功飞行将带来不可估量的影响。轻则影响飞行器正常工作，重则导致任务的失利。因此研究和解决内部结构动态干涉问题具有重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种仪器安装结构组件动包络干涉测试与改进方法，基于仪器安装结构组件的模态试验和振动试验结果，识别出了该方案存在的动包络干涉问题；针对该问题，开展结构方案改进设计，提升了组件的刚度设计指标；通过试验验证，动包络干涉问题顺利解决。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种仪器安装结构组件动包络干涉测试与改进方法，包括如下步骤：
确定仪器安装结构组件的方案；
采用锤击激励法进行仪器安装结构组件的模态试验；进行仪器安装结构组件的正弦扫描低频振动试验；
对模态试验结果和振动试验结果，采用频率正弦扫描曲线突变法和理论计算法对仪器安装结构组件可能存在的动包络干涉进行识别；
识别结果存在动包络干涉时，利用提高结构一阶频率的方法进行改进；
对改进后的仪器安装结构组件进行验证，直到仪器安装结构组件不存在动包络干涉。
优选的，锤击激励方法是通过力锤敲击试验件产生脉冲激励，同时使用加速度传感器测量试验件各测点的响应，经过谱分析得到激励的自功率谱密度和激励与响应的互功率谱密度，然后计算频响函数，再由频域参数识别方法分析频响函数，得到模态参数。
优选的，正弦扫描低频振动试验，用于模拟实际工况中宽频的激励，通过控制振动台施加一定频率范围内分段变化频率的激励到试验件上，同时使用加速度传感器测量试验件的响应。
优选的，正弦扫描低频振动试验中的振动方向包括多个。
优选的，频率正弦扫描曲线突变法识别动态干涉，是通过对正弦扫描振动试验得到的加速度传感器响应进行分析，当出现尖峰时，判定发生干涉。
优选的，动态干涉理论计算方法为：
首先确定结构内局部某一静态距离；其次，采集该局部的振动信号确定位移；然后确定该局部的加速度；
根据该局部的加速度，确定该局部的振幅，与静态距离比较后，判定是否发生干涉。
优选的，提高结构一阶频率的方法包括增加梯形斜撑和或楔形支撑。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)针对新型飞行器轻质化发展导致其内部结构之间动态包络干涉的新问题，基于现有试验条件，创新性地提出正弦扫描曲线突变法和理论计算法两种识别方法，对类似问题的识别具有普遍的借鉴意义；
(2)对于动态包络干涉问题正弦扫描曲线突变法和理论计算两种识别方法，相互印证，提升了动包络干涉问题识别的准确性；
(3)基于理论计算公式，采用提高一阶频率f的方法对结构进行改进，从本质上降低动态位移，成功解决了结构动态干涉问题。
附图说明
图1为加速度频响曲线碰撞冲击信号图例。
图2为仪器安装结构组件方案。
图3为试验加速度传感器布置。
图4为新增结构的位置及形状示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种仪器安装结构组件动包络干涉测试与改进方法，包括如下步骤：
步骤(1)、确定仪器安装结构组件方案；
步骤(2)、采用锤击激励法开展仪器安装结构组件的模态试验，确定边界条件为与飞行器连接位置处固支；
步骤(3)、开展仪器安装结构组件的正弦扫描低频振动试验，试验方向为X、Y、Z三个正交方向；坐标系采用全飞行器坐标系；
步骤(4)、采用频率正弦扫描曲线突变法和理论计算法对动包络干涉问题识别；
步骤(5)、仪器安装结构方案改进；
步骤(6)、仪器安装结构组件动包络干涉问题改进设计验证试验。
本实施例的一种可选方案，步骤(1)中的仪器安装结构组件方案，包括主板、上支撑、左上支撑、右上支撑、左下支撑、右上支撑、中梁及连接角盒，中梁附近连接设备A，初始结构方案最小间隙为8mm；如图2所示。
本实施例的一种可选方案，步骤(2)中的锤击激励方法是通过力锤敲击试验件产生脉冲激励，同时使用加速度传感器测量试验件各测点的响应，经过谱分析得到激励的自功率谱密度Gff(ω)和激励与响应的互功率谱密度Gxf(ω)，由公式(1)计算出频响函数，再由频域参数识别方法分析频响函数，得到模态参数。
本实施例的一种可选方案，步骤(2)中的仪器安装结构组件的模态试验，边界条件为上支撑、左上支撑、右上支撑、左下支撑、右上支撑和中梁两段固支，采用试验工装连接固支，布置加速度传感器，采用锤击激励法，得到组件的模态频率、阻尼和振型。仪器安装结构组件模态试验结果见表1，结果显示：一阶模态频率仅36.3Hz(一般要求35Hz以上)，振型为中梁面外弯曲。
表1
| 模态阶次 | 频率 | 阻尼 | 模态振型 |
| 1 | 36.3Hz | 0.63 | 中梁面外弯曲模态 |
| 2 | 89.8Hz | 0.25 | X向一阶弯曲 |
| 3 | 115.9Hz | 0.45 | X向平动 |
| 4 | 138.8Hz | 0.31 | X向摆动 |
本实施例的一种可选方案，步骤(3)中仪器安装结构组件的正弦扫描低频振动试验，为了模拟火箭飞行过程中宽频的激励，控制振动台施加一定频率范围内分段变化频率的激励到试验件上，同时使用加速度传感器测量试验件的响应，如图3所示。具体方法如下：将组件通过试验工装固支在振动台上，在固支边界处设置加速度传感器进行控制，在关键部位布置加速度传感器监测结构响应，在振动台上开展正交的三个方向的正弦扫描低频振动试验，扫描率为4Oct/min。试验目的是考虑组件的振动环境适应性，试验过程中不应发生动态碰撞或者干涉，以防止损坏仪器结构和仪器设备，确保飞行成功。
本实施例的一种可选方案，步骤(4)中的动包络干涉问题识别，是针对正弦扫描振动试验得到的结构加速度传感器响应进行具体分析，综合考量，判断出组件中可能存在动态干涉或者碰撞的部位，经过试验验证，可行的动态识别分析具体方法有三种：一是频率正弦扫描曲线存在明显突变；二是试验时保存时域信号，查看时域信号是否存在明显放大；三是通过试验数据进行理论位移估算，判断是否产生干涉。
本实施例的一种可选方案，步骤(4)中的频率正弦扫描曲线突变法识别动态干涉，是针对正弦扫描振动试验得到的结构加速度传感器响应进行分析，一般正常结构如果不发生干涉，正弦扫描振动试验时加速度响应曲线一般较为光滑，但是如果发生明显碰撞，会在加速度响应曲线上体现为明显的尖峰，如图1所示。
本实施例的一种可选方案，步骤(4)中的动态干涉理论计算方法，具体为：首先假设内部结构之间的静态距离为L；其次，根据位移表示的振动信号：
x＝Asinωt(mm) (2)
式中：x——位移；
ω——圆频率，rad/s；
f——频率，Hz；
A——振幅，mm。
对(2)进行两次求导，加速度为：
转换成工程单位g，且只关注加速度量级时，
试验时加速度a为响应加速度，监测点2加速度为41.5g，对应频率f为34Hz，带入公式计算得到振幅A达到近9mm，大于静态距离8mm。据此可判断发生干涉。
本实施例的一种可选方案，步骤(5)中的仪器安装结构方案改进，主要目的是提高结构的一阶频率，通过公式(4)发现：频率越高，计算响应加速度较大，振幅也不会很大，因此从分析角度，最为有效的方法就是提升局部结构的频率。因此具体改进方法为添加梯形斜撑，厚度3mm，这样全面了提升梁的面外抗弯刚度，如图4所示。
对优化后的结构方案建立有限元模型，开展模态分析发现一阶模态频率为65Hz，提升效果明显。
本实施例的一种可选方案，步骤(6)中的仪器安装结构组件动包络干涉问题改进设计验证试验，包括模态试验和正弦低频振动试验，模态试验方法与改进前相同，正弦低频振动试验与改进前相同。模态试验结果显示，一阶频率为66.5Hz；正弦低频振动试验结果显示，监测点2加速度为28g，对应频率为64Hz，估算振幅小于2mm，因此动态干涉问题解决。
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。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种仪器安装结构组件动包络干涉测试与改进方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定仪器安装结构组件的方案；
采用锤击激励法进行仪器安装结构组件的模态试验；进行仪器安装结构组件的正弦扫描低频振动试验；
对模态试验结果和振动试验结果，采用频率正弦扫描曲线突变法和理论计算法对仪器安装结构组件可能存在的动包络干涉进行识别；
识别结果存在动包络干涉时，利用提高结构一阶频率的方法进行改进；
对改进后的仪器安装结构组件进行验证，直到仪器安装结构组件不存在动包络干涉。
2.根据权利要求1所述的动包络干涉测试与改进方法，其特征在于，锤击激励方法是通过力锤敲击试验件产生脉冲激励，同时使用加速度传感器测量试验件各测点的响应，经过谱分析得到激励的自功率谱密度和激励与响应的互功率谱密度，然后计算频响函数，再由频域参数识别方法分析频响函数，得到模态参数。
3.根据权利要求1所述的动包络干涉测试与改进方法，其特征在于，正弦扫描低频振动试验，用于模拟实际工况中宽频的激励，通过控制振动台施加一定频率范围内分段变化频率的激励到试验件上，同时使用加速度传感器测量试验件的响应。
4.根据权利要求3所述的动包络干涉测试与改进方法，其特征在于，正弦扫描低频振动试验中的振动方向包括多个。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的动包络干涉测试与改进方法，其特征在于，频率正弦扫描曲线突变法识别动态干涉，是通过对正弦扫描振动试验得到的加速度传感器响应进行分析，当出现尖峰时，判定发生干涉。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的动包络干涉测试与改进方法，其特征在于，动态干涉理论计算方法为：
首先确定结构内局部某一静态距离；其次，采集该局部的振动信号确定位移；然后确定该局部的加速度；
根据该局部的加速度，确定该局部的振幅，与静态距离比较后，判定是否发生干涉。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的动包络干涉测试与改进方法，其特征在于，提高结构一阶频率的方法包括增加梯形斜撑和或楔形支撑。
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