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。     

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。     

基于模态试验和冲击响应试验的模型动力学参数修正

为通过数值仿真计算方法准确预测冲击响应,基于模态试验和冲击响应试验,对响应板的碰撞冲击过程进行动力学参数修正。模态试验过程,通过响应面优化的方法对响应板的弹性模量、泊松比、厚度参数进行优化,优化后的固有频率计算值相对误差在±2%以内。冲击响应试验过程,冲头冲击高度6.3 cm条件下,对试验和数值仿真的响应谱曲线进行误差评价;基于响应谱各分析频率点均方根误差最小的优化目标,通过曲面拟合得到最优的质量阻尼系数和刚度阻尼系数。动力学参数修正后的模型在3个不同冲击高度条件下的冲击响应谱预测中,大部分频率段的误差在±6 dB以内,显著提高了预示精度。     

基于模态法L形工装结构冲击动力学仿真分析

L形工装常用来转接被试结构以实现不同方向的冲击试验。首先通过模态试验获取L形工装固定于振动台状态下的模态频率、模态振型及模态阻尼比,然后建立、修正L形工装有限元动力学模型。在此基础上,采用模态法对L形工装进行冲击响应谱试验的仿真模拟,并根据仿真结果与试验数据的差异对模态阻尼比作进一步的调整。从调整后模型冲击环境下的加速度响应计算值与试验值的对比结果来看:修正后的L形工装动力学模型可以正确预示冲击响应谱试验的响应。最后,通过对在不同位置安装有被试结构的L形工装进行冲击仿真分析,得到结论如下:为避免过试验或欠试验,保证被试结构所承受的冲击响应谱与试验条件一致,建议把控制点移到被试结构安装处。     

大型可展收支撑臂模态试验研究

大型可展收支撑臂具有低频、振动响应非线性的特性,文章对其模态试验进行了详细研究。通过有限元模型分析得到响应点和激励点的位置,采用不同的试验方法实施支撑臂的模态试验,对试验数据进行分析,得到支撑臂前6阶模态的固有频率、模态阻尼和模态振型。结合有限元方法对试验进行对比分析,表明试验结果可靠。该研究成果对太阳翼、展开天线等大型部件的模态试验也具有一定借鉴意义。     

基于实测数据的卫星公路运输动力学特性仿真分析方法

为解决卫星运输跑车试验耗时耗力的问题,采用仿真方法研究了卫星在公路运输过程中的动力学特性。先基于大量实测数据,建立仿真分析输入谱;再通过Patran/Nastran有限元软件建立包装箱–卫星的联合仿真模型,对经过组合体模态试验修正后的模型进行了模态分析和随机振动响应分析,得到了模型的前6阶模态振型以及关键部位的加速度和应力响应RMS值。结果表明:联合仿真模型各部位的应力RMS值远低于材料屈服极限,卫星结构具有足够的安全裕度。该仿真分析方法可以准确有效地分析卫星在运输过程中经受的力学环境,为卫星结构及包装箱设计提供依据。     

风洞模型支撑机构有限元模型修正与确认

风洞模型支撑机构有限元建模对预测风洞试验中的结构动力学响应至关重要。然而采用模态试验修正有限元模型需要多轮迭代优化,随着修正参数的增多,数值优化耗时将呈指数化增长。为解决上述问题,联合ABAQUS、MATLAB搭建iSIGHT结构有限元模型修正平台,基于此平台开展某模型支撑机构有限元动力学模型修正,根据试验设计变量对响应的贡献量,筛选灵敏度较高的修正变量;构建前4阶频率差和振型相关性为多目标函数,使用近似建模得到修正变量和目标函数的响应面模型,采用多目标优化方法NSGA-II开展模型修正;修正后的模型前4阶频率差均在10%以内,振型相关性均大于0.8。对修正模型开展动力学响应确认,使用结构模态动力学响应与锤击试验响应作对比,结果显示,修正模型满足工程需求,可用作下一步复杂载荷作用下的结构动力学响应预测。     

太阳翼展开锁定最大冲击载荷修正方法

太阳翼展开锁定过程产生的锁定冲击载荷是卫星设计的重要指标,太阳翼设计时一般通过地面试验或仿真对该载荷进行估计。文章提出一种对太阳翼展开锁定过程最大锁定冲击载荷的修正方法。此方法在试验或仿真得出的载荷-时间曲线的基础上,参考模态分析结果或载荷曲线的频率分布情况,按频段分解,调整相位后再进行叠加,得到修正后的可能最大载荷。...     

考虑重力影响的太阳翼模型修正方法研究

太阳翼结构地面模态试验时重力导致的几何非线性不能忽略,因此提出了一种考虑重力影响的柔性结构动力学模型修正方法。首先推导了地面环境下结构的切线刚度矩阵,求解广义特征值,得到重力影响下的模态,对试验和计算得到的模态振型进行匹配,并进行参数的灵敏度分析,选取合适的修正参数并迭代求解参数的修正量。以展开锁定情况下的太阳翼组合结构为研究对象,对比研究发现重力对模态频率有影响,采用分步修正策略,依次对单翼板弹性参数和翼板间连接刚度进行修正,研究结果表明本文方法不仅收敛速度较快,且具有较高的精度。     

某固体火箭发动机药柱的动力学分析

对某固体火箭发动机药柱进行了动力学分析。针对发动机药柱结构,利用MSC.NASTRAN有限元软件,建立了药柱结构的三维有限元计算模型,其中推进剂和包覆层采用粘弹性材料的频变复模量模型。进行了复特征值分析、频率响应分析和公路运输的随机振动分析,得到了固体火箭发动机药柱的固有频率、相应的振型、各阶模态损耗因子和频率响应曲线,以及随机振动响应均方根值和功率谱密度曲线,为进一步分析发动机在动力学载荷作用下的结构完整性奠定了基础。     

太阳翼铰链结构的动力学实验与非线性动力学建模

通过动力学实验获得真实的太阳翼板间铰链结构于不同激振频率下的振动响应参数,并采用力状态映射法建立板间铰链的非线性动力学模型。首先,采用单频激励信号模拟外扰对实际的板间铰链结构实施动力学实验;然后,基于其结构具有的多重非线性动力学特性,根据实验数据应用力状态映射法辨识结构的动力学参数,建立其非线性动力学模型;最后,对由太阳翼板间铰链连接的两段梁所构成的系统进行了冲击激励下的振动响应测试,同时进行了有限元动力学仿真,实验测试结果和数值仿真结果取得了较好的一致性。本文建立的太阳翼板间铰链非线性动力学模型能够较好地反映其动力学特性,对于实际太阳翼结构的动力学建模具有理论参考价值。     

谐振板式大型试件冲击谱模拟技术研究

通过对试验室现有谐振板冲击模拟装置的研究和分析,采用在谐振板的一端增加千斤顶的方法,设计出了较大试件的谐振板冲击谱模拟装置,并对该装置进行了一系列的研究和分析。文章利用一个夹具和配重共117kg的试件,对该装置进行试验调试,得出了两种满足常用冲击谱试验条件的结果。经研究表明,这种装置可用于150kg以下的大型试件的冲击谱模拟试验,具有一定的工程实用价值。     

应用谐振装置在电动振动台上实现高量级冲击响应谱的仿真研究

为提高电动振动台冲击响应谱试验的试验量级,应用有限元理论建立了电动振动台及附加的谐振装置的动力学模型,在此基础上开展冲击响应谱试验的仿真研究。通过研究振动台动态特性建立了冲击响应谱试验仿真方法,进一步研究了应用谐振装置在振动台上实现高量级冲击响应谱试验的可行性。研究结果表明:使用谐振装置可显著地提高电动振动台实现冲击响应谱试验的能力。     

电磁阀磁路结构对动作寿命的影响

针对某发动机电磁阀寿命故障问题,分析了电磁阀衔铁卡滞的原因,确定了由于衔铁在壳体部件腔体内上下受力不均匀,产生了扭转力矩,导致在运动过程中的局部剧烈摩擦是故障的根本原因,基于此,提出了电磁阀的改进方案,验证结果表明改进磁路结构有效解决了寿命失效问题。     

多臂协调操作自由飞行空间机器人的位置和内力混合控制

基于多臂自由飞行空间机器人多臂协调操使负载沿着期望的轨迹运动并且控制负载所受的内力为目的，在多臂自由飞行空间机器人系统协调操作的动力学方程基础上，推导了各个机械臂协调操作负载按期望轨迹运动时各个机械臂关节的驱动力矩的计算方法；给出了作用在负载的内力的定义，根据关节力矩计算方法和PID反馈控制原理，建立了多臂自由飞行空间机器人协调操作负载时的位置和内力的控制算法；讨论了所提出的控制算法的稳定性问题，得到了负载的位置误差和内力误差的约束条件。通过仿真实验证明该控制算法能够使负载的实际位姿和内力收敛到期望的轨迹和内力。     

压紧杆式太阳翼自动化加载设备设计与验证

基于对国内外太阳翼压紧释放机构预紧实施的现状及存在问题的研究,开展设备小型化、轻量化、可视化设计,研制了一种电机驱动拉伸压紧杆的力反馈型自动化加载设备。该设备采用特制的夹紧接口,并利用凸轮原理解决了狭小空间内压紧杆的的夹紧难题;采用拉力传感器和力反馈系统等将太阳翼压紧杆预紧力施加精度控制在5%以内,有效地解决了预紧力加载的精度问题和自动预紧问题。为验证设备性能,开展了预紧力误差分析,设计了一套采用电阻应变片实时测量预紧力的方案,得出设备工作时预紧力的变化情况。试验结果表明,自动化加载设备不受人员技能水平的影响,绝对精度最大值为3.11%,单次加载时间小于1 min。     

双工位自锁电磁铁的设计与仿真

根据某型发动机系统要求,亟需研制一种具有双工位自锁功能的电磁阀以确保发动机断电时仍能正常工作。核心组件电磁铁作为自锁电磁阀最重要的部件,直接影响整个阀门的可靠性。以往型号发动机中双工位自锁电磁铁应用较少,在设计计算与仿真研究方面稍显不足,工程指导性有待加强。阐述了一种双工位自锁电磁铁工作原理,介绍了磁路设计与计算方法,使用有限元软件对电磁铁进行仿真计算,相关测试验证了设计的准确性。通过对电磁铁性能特性进行仿真研究,得到了外部参数对其影响规律。即衔铁工作气隙增大将导致吸力减小,驱动电压增大可使电磁铁动作响应时间减少、触发电流和电流储备系数增加,作动裕度有所提高。由此得到了一种具有工程指导意义的双工位自锁电磁铁设计方法。当前该方案电磁铁已用于某型液体火箭发动机中,并通过多次地面热试车考核。     

空间站对日定向装置半物理试验台关键技术

为有效模拟空间站对日定向装置驱动性能受柔性太阳翼的扰动，验证对日定向装置驱动控制性能，采用半物理试验技术对对日定向装置进行地面试验考核。设计超高刚度及运动误差无附加力自适应的半物理试验台，对支撑连接机构和加载单元进行有限元分析与刚度测试；建立大尺度柔性太阳翼的动力学模型，并采用Wilson θ法进行动力学模型的实时数值求解；运用跟踪微分法对对日定向装置低速运行下的角速度和角加速度进行估计；最后通过对半物理试验台的响应精度、加载有效性进行仿真和试验考核，结果表明试验台加载力矩幅值为 0~ 85 Nm、频率为0.01~3 Hz时，绝对精度优于0.85 Nm，相对精度优于1%，从而验证了半物理试验台对太阳翼扰动载荷模拟的真实有效性，可实现对日定向装置的性能测试。     

基于局域均值分解的冲击响应谱时域波形合成新方法

冲击响应谱时域波形合成技术是目前实验室环境下模拟实际复杂冲击环境的重要手段。文章在研究局域均值分解(LMD)方法和冲击响应谱时域波形合成原理的基础上,对实测冲击时域波形进行分解得到一组具有不同频率分布的PF信号分量,然后对不同频率分布的PF信号分量进行聚类分析并重新构造得到一组新的PF信号分量,使得PF信号分量的频率-幅值特性与设定的冲击响应谱试验条件一致。将重构后的PF信号分量组合即可得到合成后的冲击时域波形。数值仿真分析结果表明,基于LMD的冲击响应谱时域波形合成新方法生成的冲击时域波形能更好模拟真实冲击环境,冲击响应谱具有较好的控制精度。     

不同重力环境下空间机构电机驱动力差异

为了分析空间机构在不同重力环境中的驱动力差异，以单关节机械臂为研究对象，进行不同重力环境下直流电机驱动力差异分析。首先基于拉格朗日方程推导出单关节机械臂的动力学模型，为分析不同重力环境下，负载、摩擦和转速的变化对电机驱动力的影响，通过设计一套基于单关节驱动的机械臂试验装置，进行地面重力环境、地面模拟微重力环境和落塔微重力环境试验。然后基于试验数据详细分析了不同重力环境下空间机构电机驱动电流的差异，并基于试验数据对电机动力学方程中的摩擦参数进行辨识，从而获得基于试验数据修正的机械臂动力学仿真模型，为空间机构动力学设计与应用提供理论与试验依据。