通信卫星星箭耦合分析研究进展及建议

文章简要回顾国内外星箭耦合分析的基本方法,并以“东方红”系列通信卫星为实例,介绍了中国近年来在星箭耦合分析工作方面取得的一些研究进展,包括卫星有限元模型缩聚的二次缩聚方法、液体晃动对星箭耦合分析结果的影响;对比了国内外依据星箭耦合分析结果制定卫星正弦振动试验下凹条件的应用差异;讨论了星箭耦合分析的准确度、敏感度分析等问题;并对后续的星箭耦合分析工作提出若干研究发展建议。

基于大质量法的虚拟振动试验夹具谐响应分析

针对机载悬挂发射装置的振动夹具虚拟正弦扫频试验的问题,应用大质量法,通过ANSYS仿真平台,并结合试验研究其结构动力学特性。首先推导振动台的数学模型,并构建虚拟试验平台;然后通过虚拟正弦扫频试验得到振动夹具的响应特性;最后通过实物试验对其置信度进行评估。结果表明,基于大质量法所构建的虚拟振动试验模型是正确和有效的,使用模态叠加法所进行的结构谐响应分析结果具有较高的置信度;同时,在振动夹具的典型点上,分析所得振动夹具的前两阶固有频率相对于实测值误差约为7.24%,且振动夹具的频响函数的变化趋势与试验结果基本上一致。该结果可满足工程实践中精度要求,可为机载悬挂发射装置振动夹具设计和虚拟试验研究提供参考。

精确正弦输出特性的复合曲柄连杆机构的研究

针对单个曲柄连杆机构具有二次谐波的传动特性,创新地提出了具有输出精确正弦规律速度-时间特性的复合曲柄连杆机构。解析分析论证了新机构具有的输出特性,推导得出其速度公式;考虑在调整两个曲柄长度时存在的误差,分析了其长度差对输出误差的影响;运用Adams软件对机构进行了仿真计算,在2个曲柄长度存在0.5 mm的差异时,其速度输出规律与标准正弦曲线之间的误差较小。研究结果表明,该机构可将单个曲柄连杆机构的位移-时间和速度-时间的误差从25%降低到1%以下,能够满足潮汐能发电装置和汽车悬架振动等产品在初试时低成本和快速试验的要求。

不同方向地震动作用下水平层状边坡动力响应特性

在斜坡的动力响应分析中,地震动的激振方向是影响斜坡动力响应规律的主要因素之一。本文以"5·12"汶川地震灾区典型斜坡岩性及结构为模拟特征,通过对水平层状岩质斜坡开展振动台模型试验,探究地震动方向对斜坡动力响应规律的影响。以输入峰值加速度0.3 g的正弦波和天然波为例,着重对比分析斜坡模型在水平向、竖直向及合成向激振波作用下的加速度动力响应规律。研究结果表明:水平向上,在不同频率的地震动作用下,斜坡的中上部的加速度动力响应较之下部更为显著,X向地震动作用下斜坡的加速度动力响应沿高程呈较强的线性增大特征,而Z向地震动作用下斜坡的动力响应却表现出明显的非线性,且斜坡在合成向天然波作用下的响应规律表现出明显的P-Δ效应;竖直向上,Z向地震动作用下斜坡坡表和坡内的加速度响应值会随着频率的增加而不断减小,出现逐渐衰减和频散的现象。

振动台虚拟试验仿真技术研究

将振动台刚体模型、数学参数模型与夹具有限元模型相结合,建立振动试验仿真系统。借助Virtual.lab软件包分别建立电动振动台及夹具的刚体和有限元模型,并结合振动台动圈物理参数建立振动台数学参数模型,实现与Matlab/Simulink软件的联合控制,形成电动振动台虚拟振动试验仿真平台。以夹具的正弦扫描试验为例,研究仿真过程中传递函数求取及控制信号幅值提取的方法。结果表明,这种联合仿真方法能较好地模拟实物试验,并且也可使控制效果可视化。

正弦扫频振动台试验的虚拟设计

通过理论推导,获取了正弦扫频函数的精确数学描述。通过数值仿真,获取了振动台试验夹具的选取原则,即夹具和试验件的固有频率比应满足3.0或以上;同时,根据计算结构可知,两结构的组合体固有频率较两结构固有频率的较小值小。由考虑振动台面耦合作用的结构正弦扫频振动的数值仿真分析可知,结构在正反向的正弦扫频激励下的动力响应差异不大,但在结构正弦扫频振动台试验设计时应根据台面的动力特征确定是否考虑振动台面对结构动力响应的影响并进行修正。以上结论可为航天产品正弦扫频振动台试验的设计及动力时程仿真提供理论依据。

基于联合振动试验系统的正弦加随机振动研究

提出联合振动试验系统,将液压振动台与电动台有效结合,并实现较大量级的正弦加随机振动。用液压台施加低频正弦激励,用电动台施加宽频随机激励,将正弦信号与随机信号有效分离,并分别用功率谱及频谱控制。设置弹性、阻尼单元,用以模拟台面至工件的传递特性,通过调整弹簧刚度及阻尼大小,使台面至工件及电动台的传递特性一致,以保护电动台。利用有限元软件Nastran仿真控制效果,将刚度、阻尼合理匹配后,电动台能较好跟踪工件运动。通过功率谱均衡方法有效控制随机振动试验,并在电动台输出端获得与目标谱较一致的功率谱。工件呈现出要求的正弦加随机振动,从而证明该系统的有效性。

连接梁的非线性耦合振动分析与实验

采用具有三次非线性刚度的金属橡胶减振器连接两个梁,对其非线性耦合振动进行了分析和实验研究。用格林函数法和谐波平衡法求解了其频域响应。制作了3组实物模型,进行正弦扫描实验,得到上梁中点与激励点之间的加速度传递率,与计算结果对应良好。结合实验与计算结果,讨论了连接参数对系统传递率的影响,发现连接刚度对耦合频率有直接影响,非线性刚度使耦合频率附近的传递率曲线出现了弯曲和跳跃现象,增大阻尼会抑制非线性的影响。

典型阻尼结构正弦振动响应模型修正方法

直接基于正弦响应数据的模型修正研究较少,发展基于正弦振动试验数据的模型修正方法对航天工程实际中有限元建模水平的提高具有重要意义。基于正弦振动响应数据的模型修正关键在于修正后曲线特征频率及其响应幅值的一致性。文章对基础激励下结构响应分析方法进行了推导,在此基础上用两步修正方法实现了分析模型与试验模型特征频率和响应峰值的匹配,最后采用国际通用算例GARTEUR桁架模型对两步修正方法进行了验证。结果表明,经两步修正后分析模型基频与试验模型一致,且前10阶频率误差低于0.15%,典型节点响应峰值误差低于1%。

基于多分辨谱分析的正弦加随机振动试验控制算法的研究

针对正弦加随机振动试验中低频正弦信号控制精度不高的难题,提出以多分辨谱分析方法为基础,结合维纳-辛钦定理,从频域获取正弦信号的幅值,从而实现正弦响应信号与随机响应信号的准确分离,提高了低频正弦信号的控制精度。经过仿真试验对比,该算法获得了很好的控制效果,解决了低频控制精度差的问题。

微小卫星动力学环境试验技术及试验数据分析

文章重点针对某微小卫星力学环境要求,对模拟环境试验进行了相关设计,并对整星正弦和随机振动试验的数据结果进行分析处理,同时在试验前后利用光学经纬仪对整星结构进行了精度测量。通过试验和测量结果验证了初样星整星结构的合理性,而且针对试验中所存在的问题给出了相关解决办法。该文对同类型微小卫星的力学试验验证工作有一定的工程参考价值。

基于准静态载荷的航天器系统级正弦振动试验力限条件

以运载火箭研制方提供的准静态载荷为依据,提出了改进的航天器系统级正弦振动试验力限条件,并结合典型算例与目前采用的传统力限条件进行了对比研究。研究表明:改进的力(矩)限条件及相应的加速度下凹条件剔除了对界面合力(矩)无影响的过载项,物理概念更为清楚,计算方法更为合理;改进后的力限或加速度条件明显低于传统的试验条件,有利于减少航天器系统级试验中的过试验现象。

正弦扫描振动试验数据后处理方法研究

提出一种正弦扫描振动试验数据的后处理方法,此方法不依赖振动控制仪和数据采集系统的COLA功能,也不依赖同步振动控制仪驱动信号作为参考信号,可基于满足一定条件的参考信号对试验数据进行后处理,并通过实例进行了验证。

一种卫星天线的力限振动半经验系数研究

半经验公式法是制定卫星及卫星部组件力限振动试验条件的重要方法。文章首先对半经验公式法进行了简要介绍,然后应用有限元分析的办法,利用3颗已经成功发射的东方红四号平台通信卫星的整星有限元模型及其地面正弦振动试验条件,进行了整星正弦振动响应分析来模拟整星正弦振动试验,提取了这3颗卫星上6副同种类型天线,在整星正弦振动响应分析中安装点的加速度响应情况和受力响应情况,并据此计算了6副天线的正弦振动力限半经验系数。计算结果揭示了该种天线的正弦振动力限半经验系数取值范围,可为以后类似天线制定力限试验条件提供一定参考。

SMA—滚珠隔震支座框架试验研究

为研究安装SMA-滚珠隔震装置的钢筋混凝土框架的动力特性及抗震性能,进行了自由振动和正弦稳态激振试验,并与滚珠隔震的框架及非隔震结构对比。模型采用足尺单层单榀钢筋混凝土框架结构,隔震支座采用滚珠隔震装置及SMA-滚珠隔震装置。结果表明,安装SMA-滚珠隔震装置的钢筋混凝土框架的基本周期延长,阻尼比大幅增加,隔震支座可以极大地减少地震加速度向上传递。增加SMA丝数量可以提高隔震支座的最大恢复力,从而提高隔震装置的耗能效果。SMA-滚珠隔震支座可以更好地应用于隔震工程中。

基于不完整正弦基础激励响应数据的模型修正方法

文章直接应用航天器正弦振动试验所获取的结构动力学特性响应数据,开展了模型修正方法的研究。在试验数据不完整时,需进行模型缩聚。首先对比分析了Guyan缩聚和IRS缩聚方法的优缺点和适用范围;然后以缩聚后模型为基础,推导了基于基础激励响应数据的模型修正方法;最后以GARTEUR桁架结构的不完整的基础激励试验数据为基础对归一化的结构参数进行修正。结果表明:IRS缩聚模型修正后对模态频率具有良好的复现能力和预示能力,对响应曲线的修正也得到了明显改善。

正弦振动试验及结构响应数据处理方法

文章介绍了航天器动力学环境试验中常用的正弦振动试验技术及其试验过程中结构响应测量的数据处理方法,特别就数据处理的4种峰值计算方法作了较详细的阐述。

多层阻尼复合板常温贮存5年性能研究

目的分析多层阻尼复合板常温贮存5年的性能变化。方法对多层阻尼复合板进行常温下贮存5年的减振性能研究,通过贮存前后的正弦扫描试验和随机振动试验,获得贮存前后多层阻尼复合板的减振性能和模态变化,进行对比分析。结果阻尼复合板常温贮存5年后,径向模态有较大的下降,法向模态变化较少,组件上的加速度响应基本无变化。结论该多层阻尼复合板常温贮存5年后仍然满足要求。

钢框架结构正弦扫频振动台试验的虚拟实现

通过理论推导,得到了正弦扫频函数的精确数学描述。通过模态测试,获取了五层钢框架结构的五阶横向固有频率。由结构正弦扫频振动的数值仿真分析可知,结构在正反向正弦扫频激励下的动力响应差异不大,两者的结果均可作为试件动力特性的评定指标;但在结构正弦扫频振动台试验设计时,应根据台面的动力特征确定是否考虑振动台面对结构动力响应的影响并进行修正。以上结论可为结构正弦扫频振动台试验的设计及动力时程仿真提供理论依据。

基于正弦基础激励的航天器结构模型修正方法

正弦振动试验是航天器系统级和单机产品需要开展的常规试验,充分利用工程中积累的正弦试验数据进行结构模型修正具有重要的工程意义。文章首先介绍了基础激励下结构模型修正方法,通过矩阵分块、待修正参数归一化、参与修正的频率点选择等步骤,推导出基于基础激励的模型修正公式;然后对国际通用算例GARTEUR桁架结构的有限元模型进行修正,分析修正后模型在修正频段内和修正频段外计算所得模态频率,验证修正后模型对模态频率的复现和预示能力,通过对比试验模型、分析模型和修正后模型中4个典型节点的响应曲线,检验修正后模型精度。结果表明:修正后模型的模态频率和响应曲线均与试验模型趋于一致,证实了该修正方法对GARTEUR结构修正的有效性。