CN114646441B - 基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法，该方法包括界面力测量装置安装步骤；力传感器灵敏度的获取及计算步骤；界面力测量信号合成步骤；三轴振动试验系统设备开启步骤；航天器产品单轴向加载振动试验步骤；航天器产品三轴向低量级同时加载试验步骤；三轴试验条件等效设计计算步骤；依据三轴条件开展全量级试验验证步骤；计算三轴试验条件设计的误差步骤；三轴振动试验系统设备关闭步骤。本发明旨在解决航天器产品三轴试验条件设计难题，确保产品的考核充分且满足力学试验要求，且相比传统单轴试验方法，极大地提高航天器产品力学试验效率和批产研制效率。
Description
技术领域
本发明涉及航天器力学环境试验技术领域，尤其涉及基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法。
背景技术
航天器产品三轴六自由度振动试验技术是一种全方向加载激励的先进的振动试验技术。三轴六自由度振动试验技术的难点之一在于振动试验加载条件的设计和确定。如果试验条件设计过高，将会导致产品产生过试验甚至造成产品的破坏；如果试验条件设计偏低，则会使产品经历欠试验，产品性能考核达不到充分考核。随着航天器力学环境试验技术的发展，特别是先进力限试验技术的发展，航天器产品界面所经受力能否达到运载方要求已作为产品是否能经受环境试验条件考核的一个评判准则。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法，包括以下步骤：
S1:界面力测量装置安装：在三轴六自由度工作台面与航天器产品之间安装三向测力传感器，力传感器的数量呈对称分布，所有力传感器自身坐标保持一致，航天器产品的X、Y、Z三个方向的坐标方向与力传感器的X、Y、Z三个方向的坐标方向一致；
S2：力传感器灵敏度的获取及计算：对力传感器进行检定，分别获取每个力传感器在各个方向的拉伸和压缩两种状态的灵敏度，对这两种状态的正负灵敏度值取绝对值进行平均得力传感器单方向的灵敏度值；
S3：界面力测量信号合成：力传感器输出电缆与信号调节器进行正确连接，对于信号调节器前四个通道，每个通道连接的信号为来自两个不同传感器的力信号合并一起；对于后四个通道，每个通道连接的分别为单个力传感器Z向的信号；
S4：三轴振动试验系统设备开启：依次开启三轴六自由度振动台台体子系统、冷却子系统、油泵子系统、功放子系统及MIMO振动控制子系统设备，设备开启后检查其运行状态是否正常和工作台面是否处于对中位置；
S5：航天器产品单轴向加载振动试验：按照运载方提供的航天器产品X、Y、Z单轴向验收级振动试验条件，依次开展产品单轴向验收级振动试验，在进行单轴X向振动试验时，MIMO控制系统X轴向参考谱按运载条件设置，其它Y向、Z向、绕X、绕Y、绕Z向共5个参考条件均需设置，单轴X向激励，记录产品与工作台面之间力测量装置输出的界面合力和合力矩参数，单轴Y向、Z向加载振动试验方法与X向相同；
S6：航天器产品三轴向低量级同时加载试验：取运载方提供的产品X、Y、Z单轴向验收级振动试验条件量级1/4、包络形状保持不变作为三轴向试验条件，绕X、绕Y、绕Z向3个参考条件设置低值，三个轴向之间的相位和相干系数均设置为0，记录产品三向同时加载时界面力最大值和界面合力矩最大值参数；
S7:三轴试验条件等效设计计算：参考三轴向低量级同时加载试验数据，按照比例推算的原则，计算达到单轴向界面力或力矩最大值需要的最高放大倍数，该数值乘以低量级试验条件即可对应的三轴向输入量级；
S8:依据三轴条件开展全量级试验验证：按照步骤S7制定出的三轴试验条件进行三轴向同时加载，绕X、绕Y、绕Z向3个参考条件设置低值用于将其抑制，三个轴向之间的相位和相关系数均设置为0，记录产品三向同时加载时界面力最大值和界面合力矩最大值参数；
S9:计算三轴试验条件设计的误差：将三向同时加载界面力最大值与单轴向加载界面力最大值进行比较，计算界面力相对误差；将三向同时加载界面合力矩最大值与单轴向界面合力矩最大值进行比较，计算界面合力矩相对误差；
S10:三轴振动试验系统设备关闭：依次关闭振动台台体、冷却系统、油泵系统、功放系统及MIMO振动控制系统设备。
优选地，对于三轴六自由度正弦振动试验条件，基于界面力等效中的力是扫频曲线中的峰值力；而对于三轴六自由度随机振动试验条件，基于界面力等效中的力是力的均方根值。
优选地，轴与轴之间的试验条件的设计，相关系数和相位差设置为零。
优选地，试验条件的设计只考虑三个平动自由度的条件设计，而转动自由度的条件均设置为极低值。
优选地，试验条件的设计可采用试验的方式和力学仿真分析的方式来进行，两者的方法和步骤一致。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本申请通过提出了一种全新的基于界面力等效的三轴六自由度试验条件设计方法，旨在解决航天器产品三轴试验条件设计难题，确保产品考核充分且满足力学试验要求，且相比传统单轴试验方法，极大地提高航天器产品力学试验效率和批产研制效率。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件制定方法中界面力测量装置几何布局图的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件制定方法，包括如下步骤：
S1：界面力测量装置安装：具体地，在三轴六自由度工作台面与航天器产品之间安装若干个三向测力传感器。假设力传感器的数量为4个，力传感器的布局如图1所示。所有力传感器自身坐标均需保持一致。同时假设航天器产品的X、Y、Z三个方向的坐标方向与力传感器的X、Y、Z三个方向的坐标方向完全一致。
S2：力传感器灵敏度的获取及计算：具体地，参与航天器产品三轴六自由度试验的力传感器均需通过国家二级以上计量单位的合格检定。检定证书列出了每个力传感器在各个方向的拉伸和压缩两种状态的灵敏度。对这两种状态的正负灵敏度值取绝对值进行平均即得力传感器单方向的灵敏度值。力传感器参数信息表如表1所示：
表1力传感器参数信息表
S3:界面力测量信号合成：力传感器输出电缆必须与信号调节器(Kistler5080A)进行正确连接。表2中第2列列出了力传感器线缆与信号调节器之间的接线方法。对于信号调节器前四个通道，每个通道连接的信号均为来自两个不同传感器的力信号合并一起；对于后四个通道，每个通道连接的分别为单个力传感器Z向的信号。
表2四个力传感器的力信号调节器输出
S4:三轴振动试验系统设备开启：具体地，三轴六自由度振动试验系统为4-2-2水平异侧布局形式，由8个振动台组成。依次开启三轴六自由度振动台台体子系统、冷却子系统、油泵子系统、功放子系统及MIMO振动控制子系统等设备，设备开启后检查其运行状态是否正常，且工作台面是否处于合适的对中位置。
S5：航天器产品单轴向加载振动试验：航天器产品纵向为Z向，水平向分别为X向和Y向。按照运载方提供的航天器产品X、Y、Z单轴向验收级振动试验条件，依次开展产品单轴向验收级振动试验。假设X向验收级振动试验条件包络为Y向验收级振动试验条件包络为/>Z向验收级振动试验条件包络为/>在进行单轴X向振动试验时，MIMO控制系统X轴向参考谱按运载条件设置，其他Y向、Z向、绕X、绕Y、绕Z向共5个参考条件均需设置，但量级相比X向要低至两至三个数量级，目的是对除控制自由度外的其他自由度进行有效抑制，确保系统尽量只产生纯向自由度运动。
单轴X向激励验收级振动试验，记录产品与工作台面之间力测量装置输出的界面合力和合力矩参数。其中产品X向所受合力最大值为Y向所受合力最大值为/>Z向所受合力最大值为/>X向所受合力矩最大值为/>Y向所受合力最大值为/>X向所受合力最大值为/>
单轴Y向激励验收级振动试验，记录产品与工作台面之间力测量装置输出的界面合力和合力矩参数。其中产品X向所受合力最大值为Y向所受合力最大值为/>Z向所受合力最大值为/>X向所受合力矩最大值为/>Y向所受合力最大值为/>X向所受合力最大值为/>
单轴Z向激励验收级振动试验，记录产品与工作台面之间力测量装置输出的界面合力和合力矩参数。其中产品X向所受合力最大值为Y向所受合力最大值为/>Z向所受合力最大值为/>X向所受合力矩最大值为/>Y向所受合力最大值为/>X向所受合力最大值为/>
S6:航天器产品三轴向低量级同时加载试验：取运载方提供的产品X、Y、Z单轴向验收级振动试验条件量级1/4、包络形状保持不变作为三轴向试验条件，绕X、绕Y、绕Z向3个参考条件设置低值用于将其运动进行抑制，三个轴向之间的相位和相干系数均设置为0。记录产品三向同时加载时界面力最大值和界面合力矩最大值/>参数。
S7:三轴试验条件等效设计计算：按照比例推算的原则，分别计算达到单轴向界面力或力矩最大值需要对应的三轴向输入量级，计算公式如下：
S8:依据三轴条件开展全量级试验验证：按照上述条件设计方法制定出的三轴试验条件进行三轴向同时加载，绕X、绕Y、绕Z向3个参考条件设置低值用于将其抑制，三个轴向之间的相位和相关系数均设置为0。记录产品三向同时加载时界面力最大值和界面合力矩最大值/>参数。
S9:计算三轴试验条件设计的误差：将三向同时加载界面力最大值 与单轴向加载界面力最大值/>进行比较，计算界面力相对误差；将三向同时加载界面合力矩最大值/>与单轴向界面合力矩最大值/>进行比较，计算界面合力矩相对误差。上述误差一般均应该在10％以内。
S10:三轴振动试验系统设备关闭：具体地，依次关闭振动台台体、冷却系统、油泵系统、功放系统及MIMO振动控制系统等设备。
对于三轴六自由度正弦振动试验条件，基于界面力等效中的力主要是针对扫频曲线中的峰值力而言；而对于三轴六自由度随机振动试验条件，基于界面力等效中的力主要是针对力均方根值而言。
上述基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件制定方法主要采用单/多轴振动试验方法来进行条件设计，但针对有些产品，特别是航天正样产品，并不允许进行多次单轴向和三轴向高量级振动试验，此时三轴振动试验条件设计将采用力学仿真分析软件来进行，三轴条件仿真分析设计的步骤与上述试验设计的方法和步骤相似。
综上所述，本实施例所提供的基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法，旨在解决航天器产品三轴试验条件设计难题，确保产品的考核充分且满足力学试验要求，且相比传统单轴试验方法，将极大地提高航天器产品力学试验效率和批产研制效率。
实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:界面力测量装置安装：在三轴六自由度工作台面与航天器产品之间安装三向测力传感器，力传感器的数量呈对称分布，所有力传感器自身坐标保持一致，航天器产品的X、Y、Z三个方向的坐标方向与力传感器的X、Y、Z三个方向的坐标方向一致；
S2：力传感器灵敏度的获取及计算：对力传感器进行检定，分别获取每个力传感器在各个方向的拉伸和压缩两种状态的灵敏度，对这两种状态的正负灵敏度值取绝对值进行平均得力传感器单方向的灵敏度值；
S3：界面力测量信号合成：力传感器输出电缆与信号调节器进行正确连接，对于信号调节器前四个通道，每个通道连接的信号为来自两个不同传感器的力信号合并一起；对于后四个通道，每个通道连接的分别为单个力传感器Z向的信号；
S4：三轴振动试验系统设备开启：依次开启三轴六自由度振动台台体子系统、冷却子系统、油泵子系统、功放子系统及MIMO振动控制子系统设备，设备开启后检查其运行状态是否正常和工作台面是否处于对中位置；
S5：航天器产品单轴向加载振动试验：按照运载方提供的航天器产品X、Y、Z单轴向验收级振动试验条件，依次开展产品单轴向验收级振动试验，在进行单轴X向振动试验时，MIMO振动控制子系统设备控制系统X轴向参考谱按运载条件设置，其它Y向、Z向、绕X、绕Y、绕Z向共5个参考条件均需设置，单轴X向激励，记录产品与工作台面之间力测量装置输出的界面合力和合力矩参数，单轴Y向、Z向加载振动试验方法与X向相同；
S6：航天器产品三轴向低量级同时加载试验：取运载方提供的产品X、Y、Z单轴向验收级振动试验条件量级1/4、包络形状保持不变作为三轴向试验条件，绕X、绕Y、绕Z向3个参考条件设置低值，三个轴向之间的相位和相干系数均设置为0，记录产品三向同时加载时界面力最大值和界面合力矩最大值参数；
S7:三轴试验条件等效设计计算：参考三轴向低量级同时加载试验数据，按照比例推算的原则，计算达到单轴向界面力或力矩最大值需要的最高放大倍数，该数值乘以低量级试验条件即可得到对应的三轴向输入量级；
S8:依据三轴试验条件开展全量级试验验证：按照步骤S7制定出的三轴试验条件进行三轴向同时加载，绕X、绕Y、绕Z向3个参考条件设置低值用于将其抑制，三个轴向之间的相位和相关系数均设置为0，记录产品三向同时加载时界面力最大值和界面合力矩最大值参数；
S9:计算三轴试验条件设计的误差：将三向同时加载界面力最大值与单轴向加载界面力最大值进行比较，计算界面力相对误差；将三向同时加载界面合力矩最大值与单轴向界面合力矩最大值进行比较，计算界面合力矩相对误差；
S10:三轴振动试验系统设备关闭：依次关闭振动台台体子系统、冷却子系统、油泵子系统、功放子系统及MIMO振动控制子系统设备。
2.根据权利要求1所述的基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法，其特征在于，对于三轴六自由度正弦振动试验条件，基于界面力等效中的力是扫频曲线中的峰值力；而对于三轴六自由度随机振动试验条件，基于界面力等效中的力是力的均方根值。
3.根据权利要求1所述的基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法，其特征在于，轴与轴之间的试验条件的设计，相关系数和相位差设置为零。
4.根据权利要求1所述的基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法，其特征在于，试验条件的设计只考虑三个平动自由度的条件设计，而转动自由度的条件均设置为极低值。
5.根据权利要求1所述的基于界面力等效的三轴六自由度振动试验条件设计方法，其特征在于，试验条件的设计可采用试验的方式和力学仿真分析的方式来进行，两者的方法和步骤一致。
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