CN114659738B - 一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，包括(1)获取卫星在纵向鉴定级正弦振动试验中输入谱最大值；(2)构建卫星加速度典型低频疲劳A‑N关系式；(3)以触发采集方式获取卫星运输过程中加速度时域信号并得到加速度冲击响应谱；(4)获取各加速度冲击响应谱中的最大加速度响应量级ai，以及ai出现次数ni；(5)将A＝ai代入卫星加速度典型低频疲劳A‑N关系式，得到加速度响应量级为ai下卫星疲劳寿命Ni；(6)根据ni以及Ni，得到卫星在运输过程中的累计损伤值D。本发明旨在解决无法直接通过加速度响应评估卫星运输环境低频疲劳的问题，计算简单，工程实现容易，在卫星性能评估技术领域具有广泛的应用前景。

Description

一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，属于卫星性能评估的技术领域。
背景技术
航天器运输一般通过公路、铁路、飞机三种运输方式，大型航天器由于整器尺寸超过这三种运输方式限制，如载人飞船等，往往通过海运的方式。运输环境是航天器全生命周期的一个重要组成部分，是其所经历的重要环境历程。航天器运输环境与发射环境不同。发射过程持续时间短，力学环境相对确定，并且可以通过正弦振动试验、随机振动试验、噪声试验来考核航天器对发射环境的适应性；但运输环境持续时间长，其力学环境受到路况、运输车辆状态、车辆速度、驾驶员驾驶能力等多方面影响变得极为复杂，整个过程无法通过力学试验进行准确模拟。因而对航天器在运输过程中所经历的力学环境进行分析，对产生的疲劳与损伤进行评价具有十分重要的意义。
剔除急刹车、天气环境骤变等卫星运输过程中的偶发事件，卫星的运输过程可以看作是一个平稳的随机振动环境。对随机振动环境下的产品进行疲劳分析的方法主要包括时域和频域两种方法。时域疲劳分析方法以采集的时域信号为数据源，进行应力循环次数统计，累计每次循环的损伤量作为损伤评价指标。时域疲劳分析法以雨流循环计数法最为典型。但由于时域分析方法计算量大，在工程应用中受到很大限制。频域疲劳分析方法则是依据功率谱密度函数近似估计疲劳损伤。由于频域信号的获取相对更加简单，因此频域疲劳分析方法更有利于工程应用的开展，基于频域疲劳损伤分析受到广泛关注。
频域疲劳损伤的分析方法以Miner线性累计损伤理论为主，结合结构应力疲劳S-N曲线，对结构应力累计损伤进行统计，进而对结构破坏进行评价。然而该方法评价的基础是S-N疲劳循环曲线，对于复杂的卫星结构，很难通过疲劳试验获取该数据。而卫星在运输或振动试验中往往以加速度响应数据作为评估分析的参量，因此无法直接通过Miner线性累计损伤理论以及应力疲劳S-N曲线对卫星运输环境低频疲劳进行分析评估。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，包括(1)获取卫星在纵向鉴定级正弦振动试验中输入谱最大值Amax；(2)根据Amax构建卫星加速度典型低频疲劳关系式；(3)以触发采集方式获取卫星运输过程中加速度时域信号并根据所述加速度时域信号得到相应的加速度冲击响应谱；(4)获取各加速度冲击响应谱中的最大加速度响应量级ai，以及各加速度冲击响应谱中最大加速度响应量级ai出现次数ni；(5)将A＝ai代入卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式，得到加速度响应量级为ai下卫星疲劳寿命Ni；(6)根据步骤(4)所得ni以及步骤(5)所得Ni，得到卫星在运输过程中的累计损伤值D。本发明旨在解决无法直接通过加速度响应评估卫星运输环境低频疲劳的问题，计算简单，工程实现容易，在卫星性能评估技术领域具有广泛的应用前景。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，包括如下步骤：
(1)获取卫星在鉴定级正弦振动试验的输入谱最大值Amax；
(2)针对卫星振动频率为5Hz～100Hz的运输环境，构建卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式：
Figure BDA0003520324800000021
其中，A鉴定级＝Amax，N为卫星疲劳寿命，A为加速度响应量级；
(3)以触发采集方式获取卫星运输过程中的加速度时域信号，并根据所述加速度时域信号得到相应的加速度冲击响应谱；
(4)获取各加速度冲击响应谱中的最大加速度响应量级ai，以及各加速度冲击响应谱中最大加速度响应量级ai出现次数ni，1≤i≤m，m为加速度冲击响应谱的个数；
(5)将A＝ai代入卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式，得到加速度响应量级为ai下卫星疲劳寿命Ni；
(6)根据步骤(4)所得ni以及步骤(5)所得Ni，得到卫星在运输过程中的累计损伤值D。
进一步的，所述步骤(2)中，卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式的构建方法如下：
(2.1)假定卫星疲劳寿命N与加速度响应量级A的关系遵循典型关系式NAb＝C；
其中，b和C均为常数；
(2.2)假定卫星在经历一次完整的鉴定级正弦振动试验后即发生破坏；
(2.3)假定卫星在正弦振动试验中不同振动试验输入谱量级与试验持续时间存在如下疲劳等效关系
Figure BDA0003520324800000031
其中A0和A1分别为正弦振动试验任意两种不同的输入谱量级，T0和T1分别为与输入谱量级A0和A1相对应的试验持续时间；
(2.4)根据鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式，以及步骤(2.3)中的疲劳等效关系，得到验收级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T验收级1与鉴定级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T鉴定级1的关系式；
(2.5)根据鉴定级正弦振动试验持续时间T鉴定级与验收级正弦振动试验持续时间T验收级的关系式，以及步骤(2.4)所得验收级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T验收级1与鉴定级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T鉴定级1的关系式，得到验收级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命；
(2.6)根据步骤(2.2)的假定得到鉴定级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命，将鉴定级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命和验收级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命代入步骤(2.1)的典型关系式中，并结合鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式，确定常数b和C的具体数值，即得到卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式。
进一步的，所述步骤(2.4)中，鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式为：
Figure BDA0003520324800000041
进一步的，所述步骤(2.4)中，使A鉴定级＝A0，A验收级＝A1，T鉴定级1＝T0，T验收级1＝T1，根据鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式，以及步骤(2.3)中的疲劳等效关系，得到验收级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T验收级1与鉴定级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T鉴定级1的关系式：
Figure BDA0003520324800000042
进一步的，所述步骤(2.5)中，鉴定级正弦振动试验持续时间T鉴定级与验收级正弦振动试验持续时间T验收级的关系式为：
Figure BDA0003520324800000043
进一步的，所述步骤(2.5)中，验收级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命N验收级的确定公式如下：
进一步的，所述步骤(2.6)中，根据步骤(2.2)的假定得到鉴定级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命N鉴定级＝1；
将N验收级＝23和N鉴定级＝1代入步骤(2.1)的典型关系式中，并结合鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式，得到b＝7.73，
Figure BDA0003520324800000051
即得到卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式/>
Figure BDA0003520324800000052
进一步的，所述步骤(3)中，以触发采集方式获取卫星运输过程中的加速度时域信号的方法为，利用传感器实时获取运输过程中卫星的加速度信号，数据采集仪对大于等于预设值的卫星的加速度信号进行采集。
进一步的，所述步骤(3)中，采用递归滤波器算法处理加速度时域信号得到相应的加速度冲击响应谱。
进一步的，所述步骤(6)中，卫星在运输过程中的累计损伤值D的计算公式如下：
Figure BDA0003520324800000053
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明利用卫星鉴定级正弦振动试验考核卫星结构在低频段设计裕度的特点，以鉴定级正弦振动试验作为卫星结构承载力的极限，构建了卫星加速度典型低频疲劳一般关系式，解决了卫星低频加速度响应曲线来源问题，避免了卫星应力疲劳关系S-N曲线难以获取从而导致无法对卫星低频疲劳进行分析的问题；
(2)本发明基于卫星加速度典型低频疲劳A-N曲线得到相应加速度响应量级下的卫星疲劳寿命，无需每颗卫星进行额外专项疲劳试验，提高了低频疲劳的分析效率；
(3)本发明可在不改变现有卫星加速度响应数据获取方式的情况下，实现对卫星运输环境低频疲劳的量化评估，解决了无法基于频域数据客观评价卫星受运输环境影响程度的难题，且本发明方法计算简单，工程实现容易。
附图说明
图1为本发明一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法流程图；
图2为本发明一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法实施例1中卫星在鉴定级正弦振动试验中输入谱示意图；
图3为本发明一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法实施例1中卫星加速度典型低频疲劳A-N曲线示意图；
图4为本发明一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法实施例1中采用递归滤波器算法对采集的时域信号处理得到冲击响应谱示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，步骤如下：
(1)获取卫星在纵向鉴定级正弦振动试验中输入谱最大值Amax；
(2)针对卫星振动频率为5Hz～100Hz的运输环境，构建卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式：
Figure BDA0003520324800000061
其中，A鉴定级＝Amax，N为卫星疲劳寿命，A为加速度响应量级；
(3)以触发采集方式获取卫星运输过程中加速度时域信号；
(4)采用冲击响应谱的递归滤波器算法对(3)中所触发采集的所有时域信号数据处理得到冲击响应谱；
(5)统计(4)中所有冲击响应谱最大值，即最大加速度响应量级ai及其出现个数ni；
(6)根据(5)中统计的冲击响应谱最大值ai，将A＝ai代入卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式，得到卫星在加速度响应量级为ai下的疲劳寿命Ni；
(7)根据(5)中统计得到的冲击响应谱最大值ai出现个数ni以及(6)中得到的卫星在在加速度响应量级为ai下的疲劳寿命Ni，通过公式
Figure BDA0003520324800000071
计算，得到卫星在运输过程中的累计损伤值D。
步骤(1)中，卫星在纵向鉴定级正弦振动试验中输入谱最大值为：将卫星放置在振动台上，以设定的鉴定级正弦振动条件进行振动，测得卫星安装处在试验中的实际正弦振动控制谱的最大值，即为输入谱最大值；
步骤(3)中，卫星运输过程中加速度时域信号为：卫星放置在包装箱内，随包装箱从出发地到目的地过程，测得卫星安装处的实时加速度信号。
步骤(3)中，触发采集的方法为：设定触发量级为一定值，当卫星在运输过程中传感器测得的量级不小于该定值时，数据采集仪开始采集传感器测得的加速度信号，并进行记录；
步骤(4)中，冲击响应谱的递归滤波器算法具体为：利用斜波响应不变法，将基础激励下质块运动方程转换成离散系统的Z变换表示的传递函数，然后利用递归滤波器输入与输出之间的差分关系，经过变换与比对可以得到冲击响应的递推公式。
步骤(4)中，冲击响应谱为：一系列单自由度系统受到冲击函数激励，所形成的冲击响应最大值与单个系统固有频率之间的关系，即为冲击函数激励的冲击响应谱。
实施例1：
本发明卫星加速度典型低频(5Hz～100Hz)疲劳A-N关系式的构建方法如下：
S1首先假定加速度响应，即加速度响应量级A与卫星疲劳寿命N的关系遵循典型疲劳寿命关系式NAb＝C；
S2假定卫星在经历一次完整鉴定级正弦振动试验后即发生破坏。
S3假定卫星在正弦振动试验中不同振动试验输入谱量级与试验持续时间存在如下疲劳等效关系
Figure BDA0003520324800000072
其中A0和A1分别为正弦振动试验任意两种不同的输入谱量级，T0和T1分别为与输入谱量级A0和A1相对应的试验持续时间；
S4鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级关系为
Figure BDA0003520324800000081
S5将S4中关系式代入S3中疲劳等效关系式，得到验收级正弦振动试验与鉴定级正弦振动试验的疲劳损伤等效时间关系为
Figure BDA0003520324800000082
S6鉴定级正弦振动试验持续时间T鉴定级与验收级正弦振动试验持续时间T验收级关系为
Figure BDA0003520324800000083
S7基于假定S2，即可得到卫星在验收级正弦振动试验输入量级下，疲劳寿命为
Figure BDA0003520324800000084
即卫星经历23次验收级正弦振动试验发生破坏；
S8分别将S2与S7中卫星在鉴定级正弦振动试验中的疲劳寿命(A鉴定级,1)、验收级正弦振动试验中的疲劳寿命(A验收级,23)代入S1中关系式，即可得到b＝7.73，
Figure BDA0003520324800000085
因此卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式为/>
Figure BDA0003520324800000086
如图1所示，本发明一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法具体步骤如下：
(1)获取卫星在鉴定级正弦振动试验中输入谱最大值Amax(单位：g)，图2给出了一颗卫星鉴定级正弦振动试验中输入谱示意图，其输入谱最大值Amax约为0.9g；
(2)针对卫星振动频率为5Hz～100Hz的运输环境，构建卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式：
Figure BDA0003520324800000087
其中，A鉴定级＝Amax，N为卫星疲劳寿命(单位：次数)，A为加速度响应量级(单位：g)；
根据卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式
Figure BDA0003520324800000088
以及鉴定级正弦振动试验中输入谱最大值，即将步骤1中输入谱最大值0.9g代入卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式，得到了卫星加速度典型低频疲劳A-N曲线关系式Ng7.73＝0.97.73，构建出了卫星加速度典型低频疲劳A-N曲线，如图3所示；
(3)以触发采集方式获取卫星运输过程中加速度时域信号；
(4)采用递归滤波器算法对采集的时域信号处理得到冲击响应谱，如图4所示；
(5)统计卫星运输过程中所有加速度冲击响应谱最大值，即最大加速度响应量ai及其出现个数ni，即统计图4中每一条冲击响应谱线中加速度响应量级的最大值ai和ai的个数ni；
(6)根据卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式或卫星加速度典型低频疲劳A-N曲线，得到卫星在加速度响应量级为ai下的疲劳寿命Ni；
(7)根据公式
Figure BDA0003520324800000091
得到卫星在运输过程中的累计损伤值，即将步骤5中得到的冲击响应谱线的个数ni以及步骤6中疲劳寿命Ni代入公式/>
Figure BDA0003520324800000092
可以得到卫星运输环境低频疲劳损伤值。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
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。

Claims (10)

1.一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取卫星在鉴定级正弦振动试验的输入谱最大值Amax；
(2)针对卫星振动频率为5Hz～100Hz的运输环境，构建卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式：
Figure FDA0003520324790000011
其中，A鉴定级＝Amax，N为卫星疲劳寿命，A为加速度响应量级；
(3)以触发采集方式获取卫星运输过程中的加速度时域信号，并根据所述加速度时域信号得到相应的加速度冲击响应谱；
(4)获取各加速度冲击响应谱中的最大加速度响应量级ai，以及各加速度冲击响应谱中最大加速度响应量级ai出现次数ni，1≤i≤m，m为加速度冲击响应谱的个数；
(5)将A＝ai代入卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式，得到加速度响应量级为ai下卫星疲劳寿命Ni；
(6)根据步骤(4)所得ni以及步骤(5)所得Ni，得到卫星在运输过程中的累计损伤值D。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中，卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式的构建方法如下：
(2.1)假定卫星疲劳寿命N与加速度响应量级A的关系遵循典型关系式NAb＝C；
其中，b和C均为常数；
(2.2)假定卫星在经历一次完整的鉴定级正弦振动试验后即发生破坏；
(2.3)假定卫星在正弦振动试验中不同振动试验输入谱量级与试验持续时间存在如下疲劳等效关系
Figure FDA0003520324790000021
其中A0和A1分别为正弦振动试验任意两种不同的输入谱量级，T0和T1分别为与输入谱量级A0和A1相对应的试验持续时间；
(2.4)根据鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式，以及步骤(2.3)中的疲劳等效关系，得到验收级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T验收级1与鉴定级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T鉴定级1的关系式；
(2.5)根据鉴定级正弦振动试验持续时间T鉴定级与验收级正弦振动试验持续时间T验收级的关系式，以及步骤(2.4)所得验收级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T验收级1与鉴定级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T鉴定级1的关系式，得到验收级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命；
(2.6)根据步骤(2.2)的假定得到鉴定级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命，将鉴定级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命和验收级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命代入步骤(2.1)的典型关系式中，并结合鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式，确定常数b和C的具体数值，即得到卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式。
3.根据权利要求2所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(2.4)中，鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式为：
Figure FDA0003520324790000022
4.根据权利要求3所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(2.4)中，使A鉴定级＝A0，A验收级＝A1，T鉴定级1＝T0，T验收级1＝T1，根据鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式，以及步骤(2.3)中的疲劳等效关系，得到验收级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T验收级1与鉴定级正弦振动试验疲劳损伤等效时间T鉴定级1的关系式：
Figure FDA0003520324790000031
5.根据权利要求4所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(2.5)中，鉴定级正弦振动试验持续时间T鉴定级与验收级正弦振动试验持续时间T验收级的关系式为：
Figure FDA0003520324790000032
6.根据权利要求5所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(2.5)中，验收级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命N验收级的确定公式如下：
Figure FDA0003520324790000033
7.根据权利要求6所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(2.6)中，根据步骤(2.2)的假定得到鉴定级正弦振动试验中卫星的疲劳寿命N鉴定级＝1；
将N验收级＝23和N鉴定级＝1代入步骤(2.1)的典型关系式中，并结合鉴定级正弦振动试验输入谱量级A鉴定级与验收级正弦振动试验输入谱量级A验收级的关系式，得到b＝7.73，
Figure FDA0003520324790000034
即得到卫星加速度典型低频疲劳A-N关系式/>
Figure FDA0003520324790000035
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中，以触发采集方式获取卫星运输过程中的加速度时域信号的方法为，利用传感器实时获取运输过程中卫星的加速度信号，数据采集仪对大于等于预设值的卫星的加速度信号进行采集。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用递归滤波器算法处理加速度时域信号得到相应的加速度冲击响应谱。
10.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于加速度响应的卫星运输环境低频疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤(6)中，卫星在运输过程中的累计损伤值D的计算公式如下：
Figure FDA0003520324790000041
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