复杂航天器结构火工冲击环境预示方法研究

针对复杂航天器结构在宽频、瞬态火工冲击载荷激励下其响应难以预示的问题,以某型复杂卫星结构为研究对象开展了火工冲击环境预示方法研究。首先,推导了基于加速度频响函数(FRF)的虚拟模态综合法(VMSS)的理论公式。对于复杂卫星结构各子系统动力学特性存在较大差异的特点,建立了有限元-统计能量分析（FE-SEA）混合模型,并进行响应计算,获得了加速度频响包络曲线及模态数曲线,为虚拟模态综合法的响应预示提供输入。然后,对复杂卫星结构推进舱底板和侧板的火工冲击响应进行了计算分析。最后,将计算结果与整星火工分离冲击试验结果对比发现两者基本保持一致。研究结果表明,联合FE-SEA混合建模技术和虚拟模态综合法能够对复杂卫星结构火工冲击环境进行较为精确地预示。     

星箭连接界面处环形分布动载荷识别

提出一种基于卫星结构响应的环形分布动载荷识别方法。首先基于脉冲响应函数,在时域内构建激励与响应之间的传递关系;进一步,利用B样条函数表示动载荷的环形分布函数,并结合卫星结构有限元模型和结构测点加速度响应,识别了动载荷的分布函数及其时间历程。以某卫星模型开展数值仿真研究,结果表明：在不同噪声水平,响应测点数以及B样条控制点数的情况下,本文所提出的方法能够准确识别卫星结构所受分布动载荷。本文方法能够为实际飞行情况下卫星载荷环境评估提供理论支撑。     

基于FE-SEA方法的卫星部组件随机振动条件研究

卫星部组件的随机振动试验条件确定是较为困难的,通常依据以往试验结果和经验给出。文章尝试应用混合有限元-统计能量分析方法（FE-SEA方法）预示卫星部组件的随机振动环境,以此确定星上部组件的随机振动试验条件。文章首先介绍了该方法的基本理论;随后,用该方法对卫星部组件在星箭界面基础激励和外场声激励联合作用下的加速度响应进行了分析;最后,在综合考虑预示结果和工艺检验要求的基础上,探讨了部组件随机振动条件的确定方法。研究结果表明:FE-SEA方法建模简便,适用于组合载荷作用下的宽频随机振动响应预示,并且,可以较为方便地确定部组件随机振动条件。     

固体火箭发动机轴向冲击响应有限元分析

对固体火箭发动机固有频率和模态进行了分析,用大质量法将轴向加速度冲击载荷转化为轴向力载荷对模型进行加载,计算了固体火箭发动机的轴向冲击响应,并与试验结果进行了对比分析。计算结果与试验吻合,说明大质量法加载可行。发动机壳体应力较其他部位大,但远未达到强度极限,药柱应变比其他部位大,但数值很小。     

大载荷谐振板的仿真研究

为使跌落式谐振板装置的特性满足大载荷冲击试验的要求,采用有限元方法对谐振板和大载荷（100 kg）谐振板的固有频率及它们在半正弦冲击信号激励下的响应进行计算,得出相应的冲击响应谱。根据计算结果反复调整谐振板的结构尺寸、激励源,使响应点的时域响应和冲击响应谱符合要求。研究结果显示:大载荷对谐振板装置的冲击响应谱有很大的影响,导致响应时域延长、转折点频率降低、冲击谱幅值降低。     

卫星系统热特性分析

考虑空间轨道外热流、卫星表面自身辐射、热载荷等因素影响,建立卫星温度场计算模型,在采用蒙特卡罗(Monte-Carlo)法求解卫星复杂辐射边界条件的基础上,利用有限容积法对卫星在轨飞行阶段的瞬态温度场进行数值模拟,计算得到卫星瞬态温度场,并考虑其表面自身辐射及空间轨道外热流等因素,建立卫星红外辐射通量计算模型,计算得到不同时刻、不同热载荷情况下的卫星红外辐射通量分布,并简要分析了在轨卫星热控涂层衰减所带来的表面太阳吸收比的变化对卫星温度场的影响。     

某航天器姿态控制机组随机振动响应分析

根据结构件宽带随机振动原理,用NASTRAN有限元分析软件对某航天器姿态控制机组的随机振动应力进行了动力学分析。用大质量法模拟基础加速度激励,用模态法计算频率响应。分析表明,计算值与试验结果基本一致。该分析法可在设计阶段用于预示产品的随机振动响应。     

黏附激励下空间目标惯性参数的辨识方法

针对黏附卫星会自然激励目标改变运动状态的现象，提出一种利用黏附激励进行空间非合作目标惯性参数的辨识方法。黏附前，利用主星对目标特征点的视觉测量，建立估计目标惯性参数与相对运动参数的滤波器，并估计目标的转动惯量比和质心；黏附后，主星直接利用该滤波器估计目标的新的质心速度，并基于动量守恒原理计算目标质量。该方法不仅充分利用黏附过程的自然激励，无需常规辨识必须的主动激励，而且激励前后算法一致，无需切换。数字仿真证实了算法的有效性。     

光纤陀螺测量卫星结构角振动的地面试验验证

针对结构角振动对卫星光学载荷成像影响大,且在轨微振动实时测量较困难的问题,文章对比了国内外角振动测量方法,提出利用光纤陀螺实时测量角振动方法,利用角振动激励台对光纤陀螺测量结果进行了标定,其测量精度满足要求,并测量了动量轮组合工作模式下的卫星载荷安装板的角振动特性。地面试验结果表明:此测量方法合理可行,可为增强卫星在轨的抗振性、提高有效载荷指向精度和稳定度提供参考。     

导弹路面运输试验动态响应的分析计算

对于置于运输筒体内的在路面运输激励下的响应问题，建立了分析计算模型，推导了适用于具有活动基础支撑结构，在已知加速度激励谱密度时，计算随机振动响应的“矩阵缩减法”。同时介绍了Nastran有限元程序计算该类问题的处理方法。给出了几种路面条件下加速度响应均方根值的计算和试验结果。所述方法对运弹车支撑结构的改进提供了一种有效的理论计算手段。     

航天器中频力学环境预示研究进展

中频声振力学环境严重影响着航天器的可靠性和安全性,具有响应复杂、预示难的特点,因此航天器结构的中频动力学问题是当前研究的难点和热点。文章介绍了三类主要的中频预示方法,即改进的确定性方法、改进的统计能量法和混合法的基本理论和应用现状。结合航天器工程需求,对比和分析了几类中频预示方法的计算效率、应用前景和理论局限。最后,提出采用有限元与统计能量分析(FE-SEA)混合法作为国内航天器中频力学环境预示方法,并指出了FE-SEA混合法的研究方向。     

某型号仪器舱组合体联合动强度试验方法

针对某型号导弹仪器舱组合体结构和设备的联合动强度考核需求，开展组合体的动强度试验方法研究:设计专门的气瓶过载弹性加载装置，实现了气瓶过载力的等效模拟；通过整舱振动试验边界模拟和传递特性分析，验证了噪声激励振动传递与机械振动传递的差异性，提出采用大刚度模拟边界代替级间段真实边界与仪器舱组合进行联合动强度试验的方法；针对3个重点结构部段提出各自的试验条件，并通过预试验和归一化输入响应的比较分析确定了舱段不同部位结构和设备的联合考核方法。该试验方法可以有效模拟由发动机脉动和气动噪声引起的声振环境，避免产品过试验，达到对舱段结构及设备的动强度考核和设备支架动特性及放大倍数评估的目的。     

基于蒙特卡罗方法的小卫星偏心分离动力学分析

对小卫星单星偏心分离动力学进行了研究。建立了基于多体动力学理论的偏心在轨分离模型,用ADAMS平台对小卫星分离过程动力学进行仿真,结果显示两者误差小于0.15%,验证了仿真模型的正确性。用Monte-Carlo法对分离动力学性能进行了优化,分析了不同因素对分离角速度和分离速度的敏感度,给出了三种优化方案。     

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。     

水下发射航行体出水过程瞬态响应的谱分析方法

水下航行体在穿越水面时,受到移动式空泡溃灭压力作用,激起结构较大瞬态响应,因此其出水问题是工程设计的关注焦点。针对移动载荷作用下的水下航行体的瞬态响应问题,提出了基于冲击响应谱的谱分析方法,对于多模态下的综合方法进行了研究和比较,并对航行体出水动态响应进行了分析。采用本文方法可以在频域中迅速地获得结构动态响应解,并与时域解具有较好的一致性,且可以考虑外力随机分布下的动态响应,具有较好的适应性。     

一种多星分离的姿控联合仿真方法

现阶段仅依据多体动力学,难以准确分析和评估多星分离时含调姿过程的近远场分离过程。因此针对一箭多星任务的分离安全性设计需求,提出了一种姿控联合仿真方法,实现了近远场分离的实时调姿仿真。计算结果表明,该方法与专业弹道软件相比,计算误差不超过5%。同时为了进一步研究结构参数、动力学参数和调姿算法等变量对分离方案的影响,结合拉丁超立方采样和蒙特卡罗打靶法,优化了采样空间,从而可以快速分析变量偏差、采样方式对不同分离工况的影响,进而准确判定分离方案的安全性。该方法实现了参数的自动化设置,可有效提高仿真效率,能为一箭多星发射任务的快速论证及分离安全性设计需求提供有力支撑。     

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。     

六自由度激励台精密高刚度铰链结构设计与试验应用

精密高刚度铰链作为六自由度并联激励平台中的关键组件,其性能高低对激励台的控制精度有直接影响。针对铰链所需满足的高刚度、高基频和无间隙等要求,文章提出了基于虎克铰结构的铰链设计方法。首先根据铰链所处的工况确定选用圆锥滚子轴承作为旋转支撑部件,并通过对轴承的配置和预紧实现无间隙振动运动的要求,从而确定了铰链结构形式。然后,利用有限元法校核了结构的刚度与基频,进而完成铰链结构方案和样机制造,并将样机集成于激励台中。最后,开展了铰链动态特性试验和激励台振动控制试验,分别获取了铰链的基频和激励台控制响应。结果表明,铰链可满足激励台工作频段内的使用要求,铰链设计合理。     

对称恒定电流激励动态应变测量技术的分析与应用研究

对称恒定电流激励技术是使用一对匹配的恒定电流源激励只有一个工作应变片的应变测量方法。这项技术提供了非常强的抑制静电噪声拾波干扰的能力,应用于只要求使用2线连接的动态应变测量或应变型传感器这种无抗干扰连接的方式。文章介绍了这种新型动态应变测量技术的特点,并与传统的使用惠斯顿电桥和单端恒定电流源激励的技术进行了比较。此技术还可以提供检测传感器健康状态和连接电缆状态的方法。