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。     

一种改进的Kron形式子结构模态综合法

基于Kron形式子结构方法提出一种近似自由界面子结构模态综合法(Component modal synthesis,CMS)。为提高求解精度,在不提高缩减系统特征方程阶数的情况下,将自由界面剩余附着模态的惯性贡献引入了Kron形式CMS方法。同时,对广义坐标按照频域贡献进行了凝聚,以降低最终缩减模型的维数。数值算例的结果表明,当截断准则相同时,该方法计算量与传统的基于静态近似的CMS方法基本一致,但求解精度显著提高,因此计算效率更高。     

航天器子结构模态综合法研究现状及进展

现代航天器结构十分复杂,无论采用计算方法还是试验方法进行分析都是十分艰难的。在这样的研制背景下,子结构模态综合法应运而生。系统地回顾和总结了三大类子结构模态综合法的发展历程和相应的改进,介绍了该方法在航天工程上的应用。采用该方法可极大地提高航天器型号的研制效率。提出了子结构模态综合法面临的问题。     

利用改进TW-API方法在轨辨识挠性航天器时变模态参数

考虑大型挠性部件运动导致的在轨航天器模态参数时变特性,提出一种改进的截断窗逼近幂迭代（TW-API）追踪方法。针对传统TW-API方法计算量较大的问题,改进的方法简化了数据处理中的矩阵递推过程,显著减少了在轨辨识过程的计算量和计算时间。还将该方法与经典投影估计子空间跟踪（PAST）方法和逼近幂迭代（API）递推方法进行了计算量对比与分析。为检验四种方法用于航天器模态参数辨识的效果,选取ETS-VIII卫星为对象进行数值仿真。通过实际计算时间的比较,校验了改进TW-API方法在大型挠性航天器时变模态参数在轨辨识方面的有效性。     

考虑模态质量耦合的随机振动准静态载荷计算

针对目前模态质量参与法没有考虑模态质量耦合影响而导致模态密集时随机振动准静态载荷计算出现较大误差，从多自由度振动方程出发，利用模态理论和随机谱理论，分析推导出包含模态质量耦合作用的完全模态质量参与法，分析了耦合项的影响规律。此改进的模态质量参与法可用于计算包括密集模态在内的随机振动准静态载荷，并针对模态频率比大于0.95的密集模态给出简化计算公式。以一个算例验证了密集模态的准静态加速度载荷计算。     

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。     

复合材料界面裂纹尖端应变能释放率及模态混合度计算

为了准确预测复合材料层合板分层扩展及疲劳损伤,应用改进的虚裂纹闭合技术计算复合材料分层尖端处应变能释放率及模态混合度.首先介绍了改进的虚裂纹闭合技术,然后将其应用到重合网格法中,求得了分层尖端处总应变能释放率,并提取了各模态下的应变能释放率分量.最后利用某界面裂纹模型验证了该方法计算应变能释放率、模态混合度及提取应变能释放率分量的有效性.     

基于特征空间变换的运载火箭Pogo模型降阶方法

针对运载火箭Pogo状态空间模型存在维数高和奇异性的问题,开展了Pogo模型的降阶方法研究。基于特征空间变换理论,导出了一般形式的Pogo状态空间模型的解耦形式。该形式与推进系统和结构系统的模态频率相对应,从而通过模态截断或保留感兴趣的模态实现有效的模型降阶。同时,还给出了降阶方法的实数运算公式。在两种不同型号推进系统的火箭Pogo问题中进行了仿真校验。结果表明所提出的降阶方法对奇异和非奇异Pogo状态空间模型都能给出正确的降阶模型,显著地提高计算效率,具有很好的通用性,为Pogo时域仿真和主动抑制提供了合适的模型。     

非线性燃烧不稳定振荡幅值演化特征信号辨识方法研究

固体火箭发动机非线性不稳定压强振荡信号存在明显的多阶模态共存现象，且各个模态幅值随时间变化特性不同，模态之间存在振荡能量的传递与演化过程。为研究非线性燃烧不稳定模态间能量传递的演化规律，首先需要对振荡信号进行准确的模态分解。基于变分模态分解(VMD)方法，提出了一种可用于固体火箭发动机非线性不稳定振荡信号的自适应模态分解方法SPSO-VMD,解决了传统VMD方法无法自适应问题，在提高信号分解精度的同时极大的降低了计算时间。基于该方法，对典型的非线性燃烧不稳定信号的各阶模态进行了分解和分析。结果表明，该方法能准确地获得非线性燃烧不稳定振荡信号中各阶模态的频率和幅值，频率误差为0,幅值误差小于0.5%。最后，将该方法应用于真实发动机振荡数据获得了各阶模态幅值信息，为后续各阶模态之间能量传递演化研究提供了关键、准确的数据支撑。     

HCKF性能评估及其在传递对准中的应用

针对高阶容积卡尔曼滤波(HCKF)算法在传递对准中的应用问题,提出综合运用多变量函数泰勒级数展开和计算复杂度分析的性能评估方法。基于高阶球面-径向容积准则建立HCKF算法模型,并对其估计精度和计算量进行量化和对比分析：HCKF具有5阶泰勒级数展开精度且计算复杂度为O(n 4),综合性能优于高斯厄米特积分滤波(GHQF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)。将三种非线性滤波算法应用到舰机大失准角传递对准系统中,摇摆台试验结果表明：HCKF的估计精度比UKF高17%,计算量比GHQF小2个数量级,与HCKF性能评估结果一致。     

一种改进的航天器时变模态参数递推辨识方法

针对基于预测器的递推子空间辨识(RPBSID)方法在估计系统的状态变量时计算量较大的问题,提出一种改进的RPBSID方法并应用于航天器的时变模态参数辨识。与原算法相比,改进后的方法在求解状态量时不需要逐个时刻构建相应的Hankel矩阵,而是利用仿射投影算法(APA)实现状态量的递推估计,从而减少了辨识过程中的数据量。在此基础上,利用该状态变量递推得到时变系统的状态空间模型和模态参数。在数值仿真中,建立带有大型挠性附件的卫星动力学模型,分别考虑系统模态参数线性变化、突变和周期改变的情况,利用改进的RPBSID方法对结构的时变频率和阻尼比等参数进行了辨识。理论分析和数值仿真的结果表明这种改进的方法不仅能够有效地辨识系统的时变模态参数,而且与原方法相比具有更高的计算效率。     

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。     

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。     

仅利用输出信号的挠性航天器模态参数子空间在轨辨识算法

为了在轨获得精确的挠性航天器模态参数,在子空间辨识算法的基础上,给出了一种仅利用输出信号的挠性航天器模态参数在轨辨识算法。其特点是输入信号不必是白噪声,且当输入信号不易测量时,只利用被噪声污染的输出信号就能进行模态参数的在轨辨识。通过对哈勃太空望远镜(HST)和MiniMast 空间挠性结构两个算例的仿真,验证了算法的有效性和实用性。     

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。     

一种运载火箭时变结构模态参数辨识的确定性演化方法

针对运载火箭的时变结构模态参数辨识问题进行研究，基于时变自回归滑动平均(TARMA)模型，提出一种时变结构模态参数辨识的确定性演化方法。该方法利用小波基函数的良好局部函数拟合能力，将墨西哥帽小波函数作为TARMA模型时变系数的空间基底，构建了基于小波函数的泛函序列时变自回归滑动平均(FS-TARMA)模型，并发展了两步最小二乘估计方法，实现了时变系数的解耦估计。通过有限单元法，建立了阿里安V号芯级运载火箭时变有限元模型，对所提辨识方法进行了验证，结果表明：墨西哥帽小波基FS-TARMA方法能够有效地辨识系统的时变模态参数；与传统傅里叶基FS-TARMA方法相比，具有更好的辨识精度，并且能够准确地反映出模态局部细节特征。     

自由—自由结构振动模态的一阶导数

空间飞行器和车辆等一大类结构属于自由—自由结构。本文讨论这类结构的振动模态－阶导数计算问题，提出了一种改进的截尾模态展开法，将未知模态对模态导数的贡献用已知模态和系统矩来表达。针对刚度阵奇异问题，提出了移位措施，通过选择的移位系数，不仅解决了奇异问题，而且加速了算法的收敛速度。给出了一个数值例子，算例表明本文方法十分有效。