CN115455562A - 一种空天飞行器微振动试验条件获取方法 - Google Patents

Abstract

一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，搜寻飞行器在轨工作过程中的微振动扰源；对微振动扰源进行分类，确定无法避开的扰源；开展无法避开的扰源的微振动环境测量试验，获取扰源的最大振动环境时域曲线；建立微振动响应分析有限元模型；开展瞬态响应分析，确定精密仪器的微振动响应；将精密仪器的微振动响应时域曲线转化为频域曲线，并进行包络设计,得到精密仪器的微振动试验条件，用于后续试验验证。

Description

一种空天飞行器微振动试验条件获取方法

技术领域

本发明涉及一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，属于空天飞行器结构载荷与力学环境领域。

背景技术

微振动是指航天器在轨运行期间，由于航天器内部或外部的扰动引起的振幅很小、频率在1～1000Hz范围的微小为振动响应。现有对地观测卫星，特别是其成像装置对星上的微振动较为敏感，因此此类卫星对微振动研究较为深入。空天飞行器在轨任务期间，部组件在工作时可能会干扰另外仪器的工作，这样的部组件称之为扰源，受干扰的仪器称为精密仪器。飞行器扰源工作引起的微振动环境，影响精密仪器工作，可能导致飞行器飞行任务异常问题，甚至任务失败。因此研究飞行器各种扰源的微振动响应和考核精密仪器的微振动环境适应性问题具有重要的现实意义，但针对微振动响应的确定方法技术一直是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统的微振动试验缺少试验条件确定方法的问题，提出了一种空天飞行器微振动试验条件获取方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，包括：

搜寻飞行器在轨工作过程中的微振动扰源；

对微振动扰源进行分类，确定无法避开的扰源；

开展无法避开的扰源的微振动环境测量试验，获取扰源的最大振动环境时域曲线；

建立微振动响应分析有限元模型；

开展瞬态响应分析，确定精密仪器的微振动响应；

将精密仪器的微振动响应时域曲线转化为频域曲线，并进行包络设计,得到精密仪器的微振动试验条件，用于后续试验验证。

所述微振动扰源包括但不限于频段0.5Hz-500Hz内对飞行器精密仪器有影响的振动及冲击环境，具体为热控泵工作振动、流体管路流体振动、飞轮工作振动、发动机开机振动、太阳帆板展开振动、对日定向振动、火工品解锁冲击；对所有振动及冲击环境的频段、冲击加速度进行统计整理。

根据扰源强度及产生时间进行分类，若扰源对精密仪器工作无影响，则可去除；若扰源生成时段与精密仪器工作时段错开，则可去除；去除后剩余扰源为无法避开的扰源。

所述微振动环境测量试验开展前，设置边界条件，具体为：

将扰源部件与试验工装连接，并与微振动测量台固定连接；

保证试验环境为静默状态；

选取采样率、频率范围、量程、分辨率满足需求的加速度传感器。

所述微振动环境测量试验中，将扰源部件置于工作状态，采集扰源与试验工装处的加速度响应形成加速度时域曲线，完成测量试验后，统计扰源的微振动环境测量试验结果，获取扰源的最大振动环境时域曲线；

其中，若扰源部件包括一种以上工作模式，微振动环境测量试验覆盖全部工作模式；若扰源部件包括一种以上子部件，微振动环境测量试验覆盖全部子部件的所有工作状态组合。

建立微振动响应分析有限元模型，其中：

对应模拟工具模拟细长杆件、板壳结构，建模完成后，通过有限元模型开展模态分析，将模态分析结果与微振动环境测量试验结果进行对比，当模态分析结果与微振动环境测量试验结果满足模态频率差值要求时，确定有限元模型，否则对有限元模型进行修正直至满足模态频率差值要求；

其中，模态分析结果通过全飞行器模态试验测量得到。

所述模态频率差值要求为前三阶模态频率相差5％以内。

基于有限元模型进行瞬态分析，选取最大振动环境时域曲线为激励，边界条件设置为自由状态，模态阻尼比固定，根据瞬态分析频率上限确定分析步长，计算精密仪器安装处的各工况下的加速度响应时域曲线。

将微振动响应时域曲线转化为动态放大因子Q＝20频域内的冲击响应谱，将频域加速度除以20，并对所有工况的频域加速度曲线进行包络，根据预设安全系数计算确定精密仪器的微振动试验条件。

获取精密仪器的微振动试验条件后，根据空天飞行器试验任务需求开展全飞行器或者部段级微振动环境验证试验，试验对象为扰源部件、精密仪器、飞行器结构或部段级结构，边界条件为自由悬挂，悬挂装置的频率小于飞行器自由状态一阶频率的1/6，开展全飞行器或者部段级微振动环境验证试验后，将扰源部件置于工作状态，测量精密仪器安装处的加速度响应并转化为微振动频域加速度曲线，确认微振动试验条件的包络性，若包络性为可以包络，则为微振动试验条件闭环，否则修改精密仪器的微振动试验条件，重新开展全飞行器或者部段级微振动环境验证试验。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，能够解决精密仪器的微振动环境下工作性能提供了输入依据问题，振动器上扰源众多，对扰源进行分类，综合采用“躲”、“抗”来解决扰源带来的微振动响应问题，解决精密仪器的工作环境适应性，同时先后采用基于模态频率的瞬态响应分析和试验验证，验证微振动试验条件的有效性，确保试验条件的正确性。

附图说明

图1为发明提供的空天飞行器微振动试验条件获取流程图；

具体实施方式

一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，采用试验和仿真分析结合方法，提出了微振动环境试验条件，为考核精密仪器在微振动环境下工作性能提供了输入依据，方法步骤具体为：

搜寻飞行器在轨工作过程中的微振动扰源；

对微振动扰源进行分类，确定无法避开的扰源；

开展无法避开的扰源的微振动环境测量试验，获取扰源的最大振动环境时域曲线；

建立微振动响应分析有限元模型；

开展瞬态响应分析，确定精密仪器的微振动响应；

将精密仪器的微振动响应时域曲线转化为频域曲线，并进行包络设计,得到精密仪器的微振动试验条件，用于后续试验验证。

下面结合说明书附图及优选实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，获取方法流程如图1所示，微振动扰源包括但不限于频段0.5Hz-500Hz内对飞行器精密仪器有影响的振动及冲击环境，具体为热控泵工作振动、流体管路流体振动、飞轮工作振动、发动机开机振动、太阳帆板展开振动、对日定向振动、火工品解锁冲击；对所有振动及冲击环境的频段、冲击加速度进行统计整理；

根据扰源强度及产生时间进行分类，若扰源对精密仪器工作无影响，则可去除；若扰源生成时段与精密仪器工作时段错开，则可去除；去除后剩余扰源为无法避开的扰源；

微振动环境测量试验开展前，设置边界条件，具体为：

将扰源部件与试验工装连接，并与微振动测量台固定连接；

保证试验环境为静默状态；

选取采样率、频率范围、量程、分辨率满足需求的加速度传感器，一般情况下，采样率应该大于关注频率段最大值的3倍以上，频率范围应从0Hz开始；

微振动环境测量试验中，测量设备就绪后，将扰源部件置于工作状态，采集扰源与试验工装处的加速度响应形成加速度时域曲线，完成测量试验后，统计扰源的微振动环境测量试验结果，获取扰源的最大振动环境时域曲线；

其中，若扰源部件包括一种以上工作模式，微振动环境测量试验覆盖全部工作模式；若扰源部件包括一种以上子部件，微振动环境测量试验覆盖全部子部件的所有工作状态组合；

通过商用有限元软件MSC.Patran，建立微振动响应分析有限元模型，细长杆件采用杆单元CRod或者梁单元CBar、Cbream模拟，板壳结构采用CQUAD4模拟，建模完成后，通过有限元模型开展模态分析，将模态分析结果与微振动环境测量试验结果进行对比，当模态分析结果与微振动环境测量试验结果满足模态频率差值要求时，确定有限元模型，否则对有限元模型进行修正直至满足模态频率差值要求；模态频率差值要求为前三阶模态频率相差5％以内；

其中，模态分析结果通过全飞行器模态试验测量得到；

采用商用有限元软件MSC.Nastran求解器SOL224，基于有限元模型进行瞬态分析，选取最大振动环境时域曲线为激励，边界条件设置为自由状态，模态阻尼比固定，根据瞬态分析频率上限确定分析步长，模态阻尼比一般取0.01，如有模态试验实测值，也可取实测值；求解步长t＝1/2f，f为分析频率上限，如：分析频率500Hz，步长可取0.001s，计算精密仪器安装处的各工况下的加速度响应时域曲线，在求解结果.f06文件中提取精密仪器安装处的各工况下的加速度响应时域曲线；

精密仪器的微振动响应时域曲线转化为频域曲线，将时域曲线转化为Q＝20的冲击响应谱，具体算法可参照相关标准文件，并将频域的加速度值除以20，将所有工况的频域加速度曲线进行包络，并乘以安全系数1.25，即可得到精密仪器的微振动试验条件，据此开展精密仪器的微振动考核试验；

后续开展全飞行器或者部段级微振动环境验证试验，试验方案具体为：参加试验的产品包括扰源部组件、飞行器结构结配重、精密仪器等；试验边界条件为自由悬挂，悬挂装置的频率应该小于飞行器自由状态一阶频率的1/6；将扰源置于工作状态，测量精密仪器安装处的加速度响应，根据权利要求7转化为频率加速度曲线，确认微振动试验条件的包络性，如能包络，说明设计闭环；否则要修改精密仪器的微振动试验条件，重新开展精密仪器的微振动考核试验。

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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于包括：

搜寻飞行器在轨工作过程中的微振动扰源；

对微振动扰源进行分类，确定无法避开的扰源；

开展无法避开的扰源的微振动环境测量试验，获取扰源的最大振动环境时域曲线；

建立微振动响应分析有限元模型；

开展瞬态响应分析，确定精密仪器的微振动响应；

将精密仪器的微振动响应时域曲线转化为频域曲线，并进行包络设计,得到精密仪器的微振动试验条件，用于后续试验验证。

2.根据权利要求1所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

所述微振动扰源包括但不限于频段0.5Hz-500Hz内对飞行器精密仪器有影响的振动及冲击环境，具体为热控泵工作振动、流体管路流体振动、飞轮工作振动、发动机开机振动、太阳帆板展开振动、对日定向振动、火工品解锁冲击；对所有振动及冲击环境的频段、冲击加速度进行统计整理。

3.根据权利要求2所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

根据扰源强度及产生时间进行分类，若扰源对精密仪器工作无影响，则可去除；若扰源生成时段与精密仪器工作时段错开，则可去除；去除后剩余扰源为无法避开的扰源。

4.根据权利要求3所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

所述微振动环境测量试验开展前，设置边界条件，具体为：

将扰源部件与试验工装连接，并与微振动测量台固定连接；

保证试验环境为静默状态；

选取采样率、频率范围、量程、分辨率满足需求的加速度传感器。

5.根据权利要求4所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

所述微振动环境测量试验中，将扰源部件置于工作状态，采集扰源与试验工装处的加速度响应形成加速度时域曲线，完成测量试验后，统计扰源的微振动环境测量试验结果，获取扰源的最大振动环境时域曲线；

其中，若扰源部件包括一种以上工作模式，微振动环境测量试验覆盖全部工作模式；若扰源部件包括一种以上子部件，微振动环境测量试验覆盖全部子部件的所有工作状态组合。

6.根据权利要求5所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

建立微振动响应分析有限元模型，其中：

确定对应模拟工具模拟细长杆件、板壳结构，建模完成后，通过有限元模型开展模态分析，将模态分析结果与微振动环境测量试验结果进行对比，当模态分析结果与微振动环境测量试验结果满足模态频率差值要求时，确定有限元模型，否则对有限元模型进行修正直至满足模态频率差值要求；

其中，模态分析结果通过全飞行器模态试验测量得到。

7.根据权利要求6所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

所述模态频率差值要求为前三阶模态频率相差5％以内。

8.根据权利要求7所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

基于有限元模型进行瞬态分析，选取最大振动环境时域曲线为激励，边界条件设置为自由状态，模态阻尼比固定，根据瞬态分析频率上限确定分析步长，计算精密仪器安装处的各工况下的加速度响应时域曲线。

9.根据权利要求8所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

将微振动响应时域曲线转化为动态放大因子Q＝20频域内的冲击响应谱，将频域加速度除以20，并对所有工况的频域加速度曲线进行包络，根据预设安全系数计算确定精密仪器的微振动试验条件。

10.根据权利要求9所述的一种空天飞行器微振动试验条件获取方法，其特征在于：

获取精密仪器的微振动试验条件后，根据空天飞行器试验任务需求开展全飞行器或者部段级微振动环境验证试验，试验对象为扰源部件、精密仪器、飞行器结构或部段级结构，边界条件为自由悬挂，悬挂装置的频率小于飞行器自由状态一阶频率的1/6，开展全飞行器或者部段级微振动环境验证试验后，将扰源部件置于工作状态，测量精密仪器安装处的加速度响应并转化为微振动频域加速度曲线，确认微振动试验条件的包络性，若包络性为可以包络，则为微振动试验条件闭环，否则修改精密仪器的微振动试验条件，重新开展全飞行器或者部段级微振动环境验证试验。

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