航天器随机振动试验振动台驱动力估算方法

文章针对航天器复杂随机振动条件下(尤其是试验前)推力难以估算的问题,基于模态参与的思想,结合航天器随机振动的特征,对模态参与法进行改进和算法简化。改进后方法的验证结果表明,在白噪声激励条件下其计算结果与模态参与法吻合,而且能够计算模态参与法不能计算的非白噪声激励条件的随机振动载荷。文章还提出了能在工程中快速使用的三频段法,并通过型号验证了其可行性。     

激励频段对航天器随机振动载荷的影响

在航天器随机振动等效准静态载荷计算中,高频因对随机振动载荷的贡献较小而可以被截去,但目前截止频率的选择还未有完全确定。为确定随机振动环境下的计算频段,文章设计了不同动态特性的组件进行不同截止频率的随机振动试验,并根据试验数据分析研究了不同特性组件在不同振动频段下应变的变化规律。研究结果认为,对于一般组件,随机振动的计算截止频率可取为组件主频率的1.5倍。针对非均匀输入加速度谱的随机振动载荷计算问题,文章提出分频段的分析方法。按3个基本频段计算随机振动载荷,分析得到了不同频段对总随机振动载荷贡献大小和规律,以及截止频率误差的影响因素和影响大小。算例表明,分频段法可以用于不同状态输入加速度谱的随机振动载荷计算。     

飞行振动环境随机试验模拟的载荷等效

研究飞行振动环境载荷地面试验模拟的等效性问题。基于模态质量的振型叠加方法应用于结构随机振动的响应分析,导出了随机振动载荷等效的一般表达式。针对小阻尼稀疏模态结构,得出了随机振动载荷等效的一种工程设计方法,并通过数值模拟验证了方法的可行性。     

随机多输入试验模态分析方法

本文提出了多输入随机振动试验模态分析的两个新方法;组合频率响应函数法(CFRF)和多重频率响应函数法(MFRF)。通过某一导弹的模态试验在微型机上实现了全部的分析计算,获得了满意的结果和有益的结论。     

充液容器流固耦合模态仿真分析研究

主要介绍目前容器类流固耦合模态分析最常用的两种计算方法:声固耦合法及虚拟质量法。从理论上分别对这两种方法进行分析,并指出它们之间的联系与区别:虚拟质量法采用了声固耦合法在不可压缩流体情况下的形式,并有所改进,即流体的作用完全由虚拟质量阵来体现,而流体的虚拟质量阵则通过具有解析解性质的边界元法获得。最后,通过开口方槽干状态、湿状态的无阻尼模态仿真分析研究,揭示出流体对结构模态特性影响的变化规律,同时指出了两种方法(虚拟质量法、声固耦合法)对结构湿模态计算结果有规律性的差异:随着振动频率的升高,不仅容器内流体对结构模态特性的影响在减小,分析湿模态的两种方法所得到的计算结果之间的差别也在逐渐减小。     

姿控动力系统连接螺钉振动疲劳仿真分析研究

某姿控动力系统在连续经历两个方向的随机振动试验后,针对连接螺钉发生疲劳断裂的现象开展相应的研究分析。首先对该姿控动力系统进行结构模态的仿真分析及随机振动试验的模拟,并根据频响分析的有关结果,分别提取前9阶模态单独产生的结构应力响应及全模态应力响应;其次,基于描述随机振动过程中结构动力学响应幅值概率密度函数的Dirlik经验公式及Palmgren-Miner线性累积损伤理论,并通过MATLAB编程,实现连接螺钉累积损伤量的数值计算。最后,得到各主要单阶模态对螺钉振动断裂的影响大小以及仅依靠应力RMS值的相对大小不能对结构进行充分评估的结论,为连接螺钉振动断裂的深入分析及结构改进提供参考。     

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。     

航天器随机振动设计载荷有限频段法研究

针对航天器随机振动设计载荷全频段法往往过于保守的问题,根据随机振动理论,分析了航天器随机振动设计载荷有限频段法的原理;在白噪声基础激励下,比较了有限频段法与位移等效法的设计载荷。结果显示:在单自由度弹簧质量模型下,有限频段法与位移等效法结果基本相同;在二自由度弹簧质量模型及整星模型下,有限频段法要大于位移等效法的设计载荷。以某卫星为例,分析了结构随机振动响应。分析结果表明:航天器不同结构的收敛频率不同,不同方向的位移收敛频率也不同,因此,应根据结构响应收敛频率来确定有限频段法截取频率。     

一种界定模态密集程度的新方法

研究了被控对象包含密集模态时对控制的影响,说明了密频系统的模态不稳定特性引 起对象模型不准确,给控制器设计造成困难并容易导致控制性能下降。分析了已有的密集模 态定义及相关判别准则的不足,针对控制,从密集模态振型不稳定性角度提出了新的基于振 型灵敏度的密集模态界定方法,容易辨别出系统的密集模态子集,也可以用于比较不同系统 的模态密集程度。算例表明,该方法准确有效,以此界定模态密集程度对振动控制更有意义 。
     

火箭多台发动机并联推力传递结构动静耦合计算方法

针对运载火箭多台发动机并联推力传递结构在工作中力学环境适应性问题，开展了动静耦合动力学计算方法研究。该研究分析了动静耦合机理，并以此为基础，计算了有无静载的结构模态频率和推力传递结构关键部位随机振动响应。结果表明，火箭推力传递结构在大推力作用下，结构的刚度发生改变，进而影响动力学特性。相关研究结果为火箭多台发动机并联推力传递结构动静联合试验提供了参考意义。     

运载火箭模态试验仿真技术研究新进展

针对传统数学模型修改技术无法解决大型工程问题的局限性,为了实施模态试验仿真,提出一套适用于航天器复杂结构模型修改新技术,称之为子结构试验建模综合技术。简要综述在运载火箭模态试验仿真技术方面研究的新进展,并介绍两个应用实例:一是CZ-2E运载火箭全箭模态试验仿真与预示,用介绍的模态试验仿真技术成功地预示运载火箭模态参数,预示的模态与随后进行的实尺运载火箭模态试验所测到的模态非常一致,进而验证介绍的仿真技术的可靠性;另一个是CZ-2F载人运载火箭全箭模态试验仿真,它为箭船耦合动力学分析提供了可靠数学模型与数据。这两个大型工程应用实例说明了运载火箭模态试验仿真技术的工程实用性。     

一种改进的固定界面模态综合法

针对传统模态综合法中由于高阶截断模态带来的计算误差问题,提出了一种改进的固定界面模态综合法。该方法将传统方法中截断舍弃掉的高阶模态部分展开成级数的形式,并保留级数的前r项参与计算,然后将子结构界面协调条件推广至高阶,剔除了这些级数保留项之间可能出现的线性相关问题,并将保留的前r项级数改写为广义坐标的形式,作为传统模态综合法中约束模态和低阶模态的修正项以提高计算精度。与其它改进方法相比,该方法既保留了高阶截断模态的影响,又不会出现非线性特征值迭代求解问题或Ritz基线性相关的问题。数值算例的结果表明本文提出的方法可以在参与综合的模态阶次不变的前提下,有效地提高计算精度,也说明了本文方法的有效性。     

动力学缩聚模型修正的矩阵逼近法

为避免结构动力学分析中修正有限元模型时的大型稠密矩阵运算,研究了一种用基于矩阵逼近的有限元缩聚模型修正法。根据有限元模型的缩聚和修正,给出了试验模态的扩阶、物理模态到广义模态的映射和矩阵逼近,并讨论了结构存在重频时模态的相关性。算例表明,该法可行。     

四机并联发动机低频动态特性分析

为了获得发动机结构的低频动态特性,采用有限元方法进行了液体火箭一级四机并联发动机(含机架)的计算模态分析。由于发动机为复杂的非对称结构,建模时按质量和刚度等效原则将推力室的夹层结构简化成单层板,其余结构大都按空间梁简化,通过改变材料密度保证了模型质量与发动机稳态工作时的质量一致。简化后的计算规模适中,既反映了结构的主要特征又不浪费计算机资源和时间。计算结果表明了四机并联发动机系统中有多阶轴向运动较大的模态值得注意,需避免它们和发动机的低频脉动及箭体的低频振动耦合。     

用多维模态理论分析航天器贮箱液体有限幅晃动力

首次将多维模态理论应用到求解航天工程中常见的圆柱贮箱液体非线性晃动问题中。针对贮箱作水平横向运动，根据Narirrmnov-Moiseev的三阶渐近假设关系，通过选取主导模态以及确定它们的阶次关系，将一般形式的无穷维模态系统降为5维渐近模态系统。在模态系统基础之上，推导出了液体作用于贮箱壁的力的简洁表达式。数值仿真结果表明，相对于线性晃动理论结果，有限幅晃动液体将对贮箱壁产生更大的横向作用力，同时对贮箱底部还作用有明显的纵向力。可将此公式应用于工程实际问题中部分充液贮箱液体有限幅晃动力的估算。     

载人运载火箭全箭模态试验

介绍载人运载火箭全箭模态试验技术，给出了火箭全部可靠性模态数据，及飞船内关键设备的振动数据。通过对数据分析，认为：船箭耦合远比星箭耦合复杂；代替低空逃逸发动机的配重对火箭的频率特性影响不大；试验取得的全部模态数据可靠，为稳定系统设计、船箭耦合动态分析及火箭飞行过程中宇航员的振动环境提供了实验依据。     

一类刚-柔耦合系统的模态特性与实验研究

本文从理论和实验两方面研究了由中心刚体和柔性梁组成的刚柔耦合系统的模态特性。结果表明该系统的模态与静止情况正气结构动力学模态存在较大差异，系统的模态频率与刚体Hub和柔性梁的转动惯量比值有一定关系，这为研究这类刚柔耦合系统的动力学与控制问题提供了一些有益的参考。     

复合材料柔性喷管试验模态分析

应用试验模态分析，对一种固体火箭发动机的柔性喷管进行了动态特性分析和试验，并获得了该柔性喷管的前１３阶模态振型及参数。     

太阳电池阵的铰链副刚度参数识别

为正确识别太阳电池阵铰链副的刚度参数,用形状简单、建模相对容易的有机玻璃板列阵不同状态下模态试验结果估计待识别参数的初始值,通过线性化目标函数,将参数识别归为易求解的数学规划问题,最终直接用商用有限元分析程序和数学软件实现参数识别。识别结果表明,理论计算值与试验结果基本吻合。