大型复杂航天器结构有限元模型的验证策略研究

大型复杂航天器结构有限元模型的合理性和准确性在航天器研制过程中具有重要意义, 它是开展星箭耦合分析以及力学环境条件设计等工作的基础。首先综合有限元建模、模 态试验、相关分析和模型修正等技术构造了一套系统的航天器结构有限元模型试验验证策略 ;然后,针对我国新一代大型卫星平台——东方红四号卫星开展了整星有限元模型的试验 验证研究,其中整星模态试验以及模型修正等研究工作属首次在东方红四号卫星平台上成功 实施。修正后有限元模型对整星主模态频率预测误差小于5％,模态置信准则大于0.6,预 示精度达到工程要求。
     

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。     

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。     

大型太阳电池阵模态试验方法

在大型太阳电池阵的研制阶段,需要进行大量模态试验以掌握结构的固有动态特性,进而指导设计和修正有限元模型。文章以大型太阳电池阵为研究对象,分别采用气浮方式和悬挂方式模拟自由边界条件,使用预紧力释放、MB大推力激振器和APS大位移激振器3种激励方法对其进行试验,并对各种模态试验方法所获取的试验结果进行了分析比较。研究表明:采用悬挂方式比采用气浮方式所测得的太阳电池阵侧摆频率更为准确;获取太阳电池阵模态参数行之有效的方法是先采用预紧力释放法得到固有频率,然后采用APS激振器激励方法得到振型;激振器激振杆横向刚度选择不当会影响模态测试结果,需选用横向刚度较小的柔性激振杆。     

大型复杂航天器组装动力学建模方法与应用

基于完整有限元模型的大型空间复杂结构系统动力学分析因其计算量大、耗时长、效率低,而使得基于子结构的模态综合技术具有现实的应用基础。文章基于固定界面模态综合法给出复杂航天器结构组装模型,开发了大型空间组合体动力学分析软件;并以空间站三舱组合体为例,验证了该建模方法对于大规模有限元模型在复杂界面条件下的模态综合的有效性,结果表明该建模方法可以应用于工程实际。     

导引头部件结构动态特性分析

导引头部件为螺栓装配体结构。为了准确分析装配体结构动态特性,利用弹簧、阻尼模型等效螺栓结合部对装配体结构动态特性的影响,在MSC.Patran中建立了导引头部件等效的有限元模型,用Nastran对其进行了模态分析。利用DASP系统对导引头部件进行模态试验,通过模态试验结果和有限元模态分析结果的对比,验证了有限元模型的正确性,表明等效的有限元模型能够正确表达导引头部件的动力学特性。
     

基于PolyMAX法的飞行器工作模态分析技术与应用

飞行器在大气中飞行时经历严酷的力热环境,结构动力学问题显著,而模态特性是分析这些问题的重要输入。传统地面模态试验很难准确模拟飞行环境,而工作模态分析技术能够得到飞行器实际飞行中的模态参数。文章首先简要介绍了工作模态分析技术的背景和发展现状,说明了PolyMAX法的基本原理,然后对飞行器飞行试验测量数据进行了处理和分析,采用PolyMAX法成功识别出该飞行器的模态参数,并进行了模态验证。     

卫星承力筒结构的模态试验方法探讨

文章详细阐述了某型号卫星承力筒结构的模态试验设计及试验实施过程中所取得的实践经验。采用单点随机激励法、两点随机激励法、单点步进正弦扫描激励法均能得出较准确的航天器结构主频。较好的办法是:为获取大型航天器结构的一阶主频,可先采用单点随机激励法得出结构主频,然后采用单点步进正弦扫描激励法进行数据结果的验证;为获取大型航天器结构的高阶模态参数或结构阻尼系数,应采用两点或两点以上的模态试验激励方法,使激励输入能量平均且更接近于航天器结构实际受力工况。文章中对承力筒结构模态试验设计及方法的探讨对大型航天器的结构模态试验具有借鉴作用。     

结构有限元模型的综合修正方法

本文的方法是针对像卫星这样的大型复杂结构而提出的。它既包含了对物理参数的修正又包含了对矩阵元素的修正。除了可以修正刚度矩阵[K]和质量矩阵[M]外,它还可以修正阻尼矩阵[C]。该方法最大限度地利用了实验数据,包括固有频率、模态和频响函数。在对许多模态和固有频率进行修正的基础上,首先保证了前几阶固有频率的修正精度。本文的计算方法不需要实验频响函数是满秩的,只需要在做实验时得到频响函数的一行或一列、几行或几列,而且避免了对阻抗矩阵求逆。本文提出的方法可以进行较大误差的修正。     

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。     

自由-自由结构模态参数提取方法研究

从约束试验数据提取自由-自由结构模态参数是试验模态分析领域中的一个重要课题。从多自由度系统特征方程出发，阐述了适合于不同约束条件（弹性和刚性）的两类自由-自由结构模态参数提取方法的基本理论，旨在比较它们的可行性及适用范围。以-悬臂梁结构为基本算例对两种算法进行了深入的数值模拟研究，对模拟结果进行了比较分析。结果表明，两类方法在不同的约束条件下各有优点，存在各自的适用范围，是获取大型航空航天结构整体动态特性的有效途径。     

惯性平台框架类结构件的试验模态分析

为了更好的设计和改善结构的动态特性，从而提高产品及工程的质量，应用结构动态分析和计算方法，针对某型号惯性平台框架类结构件进行了模态试验分析，得出了各结构件在0～2000Hz内的各阶固有频率和振型，并通过将试验模态分析的结果和有限元分析结果进行对比，对有限元建模和分析结果的正确性给予了验证。最后，文中提出了各框架结构件设计中存在的薄弱点和相应的优化措施，为今后结构的设计改进和动力学分析奠定了基础。     

基于相关性理论的空间遥感器结构模型修正

基于相关性理论建模方法,对空间遥感器进行仿真模态和试验模态的相关性分析。并通过关键参数的灵敏度分析和优化,实现了对遥感器有限元模型的修正。验证了相关性理论应用在遥感器结构动力学模型修正方面的可行性。     

卫星动力学虚拟试验的几个关键技术

文章阐述了卫星动力学虚拟试验的必要性,并就SEA模型修正技术、振动台激励下卫星的建模技术和模态综合技术做理论上的分析,为虚拟试验研究提供理论依据.     

结构动力学快速再分析及模型修正

叙述了适用于大型宇航结构动力学再分析和动力学模型修正的方法。采用试验模态数据，应用灵敏度分析技术直接修正结构参数。利用矩阵摄动法计算灵敏度矩阵，用模态变换法进行结构参数修正的叠代计算，大大减少了动力学模型修正的计算量，同时又保证修正后的动力学模型具有明确的物理意义。采用最优化整体拟合法扩充测试模型，可以有效地抑制试验随机误差。计算机仿真算例和Ｈ梁应用实例证实了本文提出的方法具有良好的工程应用价值。     

200 kN振动台动圈建模与仿真分析

文章利用Solidworks软件及Cosmosworks软件针对200 kN振动台动圈进行了建模和有限元模态分析,通过模态试验对模型进行了修正,并以修正后的模型为基础进行了动态响应仿真分析,得到了传递函数和响应曲线,计算出1 g加速度控制条件下的驱动力谱,并运用该力谱模拟了正弦扫频试验,得到的控制点响应曲线与实际情况较为吻合。     

应用锤击法的全弹模态试验

叙述锤击法在中型导弹全弹模态试验中的应用.除简要叙述试验原理及方法外,着重讨论双密模态的分离、阻尼比的指数窗修正及模态质量的测试问题.最后提供锤击法试验结果与共振法、随机法及理论计算结果的比较.     

单翼大挠性航天器全局模态动力学建模及试验

针对小中心刚体-单侧大挠性结构构型的航天器，通过定义广义全局模态振型，提出一种全局模态动力学模型。采用统一形式描述整体刚体运动和整体挠性变形，基于哈密顿原理推导了全局模态动力学方程，结合瑞利瑞兹法推导了非约束模态频率和模态振型的计算方法。通过仿真和试验校验了全局模态动力学模型的准确性。与有限元模型对比，分析了非约束模态频率随着刚柔质量比和惯量比的变化情况，第一阶模态频率的最大误差为0.003 Hz，说明全局模态动力学模型能够比较准确地描述非约束模态频率；理论模型能够比较准确地描述动态响应，端部横向位移的最大误差为2.6%；基于气浮平台构建了试验系统，理论模型、有限元仿真和物理试验结果均比较接近，说明理论模型准确描述了非约束模态频率随刚柔耦合特性变化的规律。     

基于模态参数和加速度频响函数的综合模型修正方法研究

文章提出了一种基于模态参数和加速度频响函数的综合动力学模型修正方法.该方法先是利用试验测量所得的模态数据来修正动力学模型的固有频率和振型,然后利用试验测量所得的加速度频响函数对动力学模型进行二次修正,使得修正后模型的固有频率和加速度频响函数与试验测量所得值相一致.该方法综合了模态法和频响函数法,数值算例表明,修正后结果比较理想.     

模态综合法在航天器动力学仿真中的精度分析

模态综合法可有效解决在传统航天器动力学仿真中出现的整器模型过大、各分系统模型难以对接的问题。为探究主模态截断对固定界面模态综合法精度的影响,文章以串联卫星模型为例,分别利用频率截断法、有效模态质量截断法和势能判据截断法对各子结构进行主模态截断,并对比截断后计算所得综合系统和整星有限元系统的模态特性和动力学响应特性,分析两者间误差大小。结论表明,在低阶频率范围内,频率截断法的截断效率高于其他两种方法,而势能判据截断法的理论依据充足,在高阶频率范围也有很高精度。在实际工程应用中,可根据文章的分析结果,结合具体需求选择合适的主模态截断方法进行模态综合。