專利名稱：航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航天器虛擬正弦振動的試驗(yàn)方法，該方法可直接應(yīng)用于航天器的振動試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星等航天器在發(fā)射過程中要經(jīng)歷嚴(yán)酷的振動環(huán)境載荷，為確保航天器在發(fā)射過程中不被振動載荷破壞，在研制過程中必須在地面進(jìn)行振動環(huán)境試驗(yàn)，來考核產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用振動臺模擬振動環(huán)境是目前常用的方法。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段都會通過數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行振動環(huán)境試驗(yàn)的仿真分析，特別是采用大質(zhì)量法或強(qiáng)迫運(yùn)動激勵法，但這些開環(huán)仿真方法的分析結(jié)果往往與振動試驗(yàn)結(jié)果有很大的差距。分析其中原因，除了建立的分析模型與實(shí)際產(chǎn)品有差別外，仿真分析的方法上也存在與振動試驗(yàn)方法不同，主要體現(xiàn)在目前的分析方法基本上不考慮振動臺系統(tǒng)對產(chǎn)品振動試驗(yàn)的耦合影響，不考慮振動控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的影響，所以兩者的差距較大。為此，設(shè)計(jì)一種能夠更貼近實(shí)際情況的航天器虛擬正弦振動的試驗(yàn)方法對于振動仿真來說非要必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法，該方法是一種考慮真實(shí)正弦振動試驗(yàn)中各種機(jī)電環(huán)節(jié)和試驗(yàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制的仿真計(jì)算方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)仿真方法的計(jì)算結(jié)果。一種航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法，包括以下步驟1)模擬模型的構(gòu)建步驟通過msc. nastran軟件建立振動臺、航天器、夾具的有限元模型，通過matlab軟件建立功率放大系統(tǒng)、加速度傳感器、濾波及放大電路系統(tǒng)的仿真模型。2)虛擬正弦振動試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置步驟虛擬正弦振動試驗(yàn)的參數(shù)包括試驗(yàn)起始頻率、試驗(yàn)截止頻率、試驗(yàn)量級條件(試驗(yàn)控制點(diǎn)的加速度數(shù)值隨試驗(yàn)頻率的變化曲線)、試驗(yàn)掃描速率、頻率采樣間隔時(shí)間、試驗(yàn)壓縮比、及選定的模擬模型上的試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)；3)傳遞函數(shù)計(jì)算步驟在msc. nastran中將振動臺、航天器、夾具的有限元模型組合成為整體分析模型，計(jì)算單位力(1牛頓)的輸入情況下，試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)頻域分析的加速度結(jié)果，將加速度結(jié)果除以單位力，得到試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)的相對于力的傳遞函數(shù)；利用matlab軟件計(jì)算功率放大系統(tǒng)、加速度傳感器、濾波及放大電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其中功率放大系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為控制電壓，輸出參數(shù)為驅(qū)動電流；加速度傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為加速度響應(yīng)，輸出參數(shù)為電荷；濾波及放大電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為電荷，輸出參數(shù)為電荷(該傳遞函數(shù)可以取為1)；以及利用F =BIL(B為振動臺的磁場強(qiáng)度，L為振動臺的線圈長度，I為驅(qū)動電流)函數(shù)關(guān)系進(jìn)而得到功
4率放大系統(tǒng)的驅(qū)動電流與振動臺的驅(qū)動力之間的傳遞函數(shù)；將上述得到的所有傳遞函數(shù)相乘，得到功放系統(tǒng)的驅(qū)動信號和試驗(yàn)控制點(diǎn)、試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)之間的總傳遞函數(shù)。4)試驗(yàn)驅(qū)動信號生成步驟設(shè)試驗(yàn)起始頻率為&，試驗(yàn)要求的試驗(yàn)控制點(diǎn)響應(yīng)量級(對應(yīng)于試驗(yàn)量級條件中起始頻率對應(yīng)的加速度值)為&，試驗(yàn)壓縮比為α，驅(qū)動初始信號電壓為Utl，試驗(yàn)系統(tǒng)在&頻率下的總傳遞函數(shù)為IKftl)，則在驅(qū)動初始信號電壓Utl的作用下，系統(tǒng)的響應(yīng)加速為a0 = H(f0)U0..........................................(10)計(jì)算該響應(yīng)與目標(biāo)的響應(yīng)差Δ a0 = aT-a0...........................................(11)下一迭代步的加速度響應(yīng)為ai = a0+ α Δ a0..........................................(12)驅(qū)動電壓為U1 = B1AKftl).........................................(13)以后的迭代重復(fù)計(jì)算公式11-公式13，即Aan = aT-anan+1 = an+ α Δ an.......................................(14)Un+1 = an+1/H(f0)當(dāng)I Aan|小于事先設(shè)定的值(如10_5)時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到了試驗(yàn)的量級，迭代結(jié)束，得到驅(qū)動電壓U，然后進(jìn)行試驗(yàn)；如果大于該設(shè)定值，則返回按照公式14繼續(xù)進(jìn)行迭代。5)虛擬正弦振動試驗(yàn)步驟將驅(qū)動信號U與總傳遞函數(shù)相乘，得到試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)加速度并輸出；然后通過公式15計(jì)算得到下一點(diǎn)的頻率值fn+1，fn+1 = 2組4............................................(15)其中A為掃描速度(單位oct/min)，t為在參數(shù)設(shè)置時(shí)給出的頻率采樣間隔時(shí)間(單位min) ο比較該頻率值是否大于試驗(yàn)截止頻率，大于時(shí)則結(jié)束試驗(yàn)，反之，則確定下一頻率點(diǎn)的驅(qū)動信號，下一頻率點(diǎn)的驅(qū)動信號確定方法如下先計(jì)算頻率的差，其中a。(fn)是獲取的試驗(yàn)控制點(diǎn)響應(yīng)信號Δ an = aT (fn+1) ~ac (fn)....................................(16)計(jì)算下一頻率點(diǎn)的期待加速度響應(yīng)a' (fn+1) = ac(fn) + a Aan...................................(17)根據(jù)此頻率的傳遞函數(shù)計(jì)算驅(qū)動信號Uc(fn+1) = a' (fn+1)/H(fn)..................................(18)然后重復(fù)步驟5)。 本發(fā)明的方法充分考慮了航天器真實(shí)振動試驗(yàn)的所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)，集成了振動臺試驗(yàn)控制系統(tǒng)和多個組成系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用閉環(huán)計(jì)算方法，顯著提高傳統(tǒng)開環(huán)數(shù)值方法的真實(shí)性和精度。


圖1為本發(fā)明的航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法的流程示意圖。圖2為本發(fā)明的傳遞函數(shù)計(jì)算關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法的流程作進(jìn)一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明的航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法主要通過五個步驟實(shí)現(xiàn)1)模擬模型的構(gòu)建步驟通過msc. nastran軟件建立振動臺、航天器、夾具的有限元模型，通過matlab軟件建立功率放大系統(tǒng)、加速度傳感器、濾波及放大電路系統(tǒng)的仿真模型。2)虛擬正弦振動試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置步驟虛擬正弦振動試驗(yàn)的參數(shù)包括試驗(yàn)起始頻率、試驗(yàn)截止頻率、試驗(yàn)量級條件(試驗(yàn)控制點(diǎn)的加速度數(shù)值隨試驗(yàn)頻率的變化曲線)、試驗(yàn)掃描速率、頻率采樣間隔時(shí)間、試驗(yàn)壓縮比、及選定的模擬模型上的試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)；3)傳遞函數(shù)計(jì)算步驟在msc. nastran中將振動臺、航天器、夾具的有限元模型組合成為整體分析模型，計(jì)算單位力(1牛頓)的輸入情況下，試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)頻域分析的加速度結(jié)果，將加速度結(jié)果除以單位力，得到試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)的相對于力的傳遞函數(shù)；利用matlab軟件計(jì)算功率放大系統(tǒng)、加速度傳感器、濾波及放大電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其中功率放大系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為控制電壓，輸出參數(shù)為驅(qū)動電流；加速度傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為加速度響應(yīng)，輸出參數(shù)為電荷；濾波及放大電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為電荷，輸出參數(shù)為電荷(該傳遞函數(shù)可以取為1)；以及利用F =BIL(B為振動臺的磁場強(qiáng)度，L為振動臺的線圈長度，I為驅(qū)動電流)函數(shù)關(guān)系進(jìn)而得到功率放大系統(tǒng)的驅(qū)動電流與振動臺的驅(qū)動力之間的傳遞函數(shù)；將上述得到的所有傳遞函數(shù)相乘，得到功放系統(tǒng)的驅(qū)動信號和試驗(yàn)控制點(diǎn)、試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)之間的總傳遞函數(shù)。各傳遞函數(shù)的計(jì)算關(guān)系如圖2所示。4)試驗(yàn)驅(qū)動信號生成步驟設(shè)試驗(yàn)起始頻率為&，試驗(yàn)要求的試驗(yàn)控制點(diǎn)響應(yīng)量級(對應(yīng)于試驗(yàn)量級條件中起始頻率對應(yīng)的加速度值)為&，試驗(yàn)壓縮比為α，驅(qū)動初始信號電壓為Utl，試驗(yàn)系統(tǒng)在&頻率下的總傳遞函數(shù)為IKftl)，則在驅(qū)動初始信號電壓Utl的作用下，系統(tǒng)的響應(yīng)加速為a0 = H(f0)U0..........................................(19)計(jì)算該響應(yīng)與目標(biāo)的響應(yīng)差A(yù)a0 = aT-a0...........................................(20)下一迭代步的加速度響應(yīng)為ai = a0+ α Δ a0............................................(21)驅(qū)動電壓為U1 = B1AKftl).........................................(22) 以后的迭代重復(fù)計(jì)算公式20-公式22，即
Aan = aT-anan+1 = an+ α Δ an.......................................(23)Un+1 = an+1/H(f0)當(dāng)I Aan|小于事先設(shè)定的值(如10_5)時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到了試驗(yàn)的量級，迭代結(jié)束，得到驅(qū)動電壓U，然后進(jìn)行試驗(yàn)；如果大于該設(shè)定值，則返回按照公式23繼續(xù)進(jìn)行迭代。5)虛擬正弦振動試驗(yàn)步驟將驅(qū)動信號U與總傳遞函數(shù)相乘，得到試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)加速度并輸出；然后通過公式15計(jì)算得到下一點(diǎn)的頻率值fn+1，fn+1 = 2組4...........................................(24)其中A為掃描速度(單位oct/min)，t為在參數(shù)設(shè)置時(shí)給出的頻率采樣間隔時(shí)間(單位min) ο比較該頻率值是否大于試驗(yàn)截止頻率，大于時(shí)則結(jié)束試驗(yàn)，反之，則確定下一頻率點(diǎn)的驅(qū)動信號，下一頻率點(diǎn)的驅(qū)動信號確定方法如下先計(jì)算頻率的差，其中是獲取的試驗(yàn)控制點(diǎn)響應(yīng)信號Δ an = aT (fn+1) ~ac (fn)....................................(25)計(jì)算下一頻率點(diǎn)的期待加速度響應(yīng)a' (fn+1) = ac (fn) + α Δ an....................................(26)根據(jù)此頻率的傳遞函數(shù)計(jì)算驅(qū)動信號Uc(fn+1) = a' (fn+1)/H(fn)..................................(27)然后重復(fù)步驟5)。 盡管上文對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法，包括以下步驟1)模擬模型的構(gòu)建步驟通過msc.nastran軟件建立振動臺、航天器、夾具的有限元模型，通過matlab軟件建立功率放大系統(tǒng)、加速度傳感器、濾波及放大電路系統(tǒng)的仿真模型；2)虛擬正弦振動試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置步驟虛擬正弦振動試驗(yàn)的參數(shù)包括試驗(yàn)起始頻率、試驗(yàn)截止頻率、試驗(yàn)量級條件、試驗(yàn)掃描速率、頻率采樣間隔時(shí)間、試驗(yàn)壓縮比、及選定的模擬模型上的試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)占.3)傳遞函數(shù)計(jì)算步驟在msc.nastran中將振動臺、航天器、夾具的有限元模型組合成為整體分析模型，計(jì)算單位力的輸入情況下，試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)頻域分析的加速度結(jié)果，將加速度結(jié)果除以單位力，得到試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)的相對于力的傳遞函數(shù)；利用matlab軟件計(jì)算功率放大系統(tǒng)、加速度傳感器、濾波及放大電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其中功率放大系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為控制電壓，輸出參數(shù)為驅(qū)動電流；加速度傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為加速度響應(yīng)，輸出參數(shù)為電荷；濾波及放大電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的輸入?yún)?shù)為電荷，輸出參數(shù)為電荷；以及利用F = BIL函數(shù)關(guān)系進(jìn)而得到功率放大系統(tǒng)的驅(qū)動電流與振動臺的驅(qū)動力之間的傳遞函數(shù)，其中B為振動臺的磁場強(qiáng)度，L為振動臺的線圈長度，I為驅(qū)動電流；將上述得到的所有傳遞函數(shù)相乘，得到功放系統(tǒng)的驅(qū)動信號和試驗(yàn)控制點(diǎn)、試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)之間的總傳遞函數(shù)；4)試驗(yàn)驅(qū)動信號生成步驟設(shè)試驗(yàn)起始頻率為4，試驗(yàn)要求的試驗(yàn)控制點(diǎn)響應(yīng)量級為&，試驗(yàn)壓縮比為α，驅(qū)動初始信號電壓為Utl，試驗(yàn)系統(tǒng)在&頻率下的總傳遞函數(shù)為H (f0)，則在驅(qū)動初始信號電壓Utl的作用下，系統(tǒng)的響應(yīng)加速為a0 = H(f0)U0............................................(1)計(jì)算該響應(yīng)與目標(biāo)的響應(yīng)差Δ a。= aT-a0.............................................(2)下一迭代步的加速度響應(yīng)為B1 = a0+ α Δ a0............................................(3)驅(qū)動電壓為U1 = ai/H(f0)...........................................(4)以后的迭代重復(fù)計(jì)算公式2-公式4，即Δ an = aT-anan+1 = an+a Aan.........................................(5)Un+i = an+1/H(f0)當(dāng)I AanI小于事先設(shè)定的值時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到了試驗(yàn)的量級，迭代結(jié)束，得到驅(qū)動電壓U，然后進(jìn)行試驗(yàn)；如果大于該設(shè)定值，則返回按照公式5繼續(xù)進(jìn)行迭代；5)虛擬正弦振動試驗(yàn)步驟將驅(qū)動信號U與總傳遞函數(shù)相乘，得到試驗(yàn)控制點(diǎn)和試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)加速度并輸出；然后通過公式6計(jì)算得到下一點(diǎn)的頻率值fn+1，fn+i = 2A*tfn.............................................(6)其中A為掃描速度，t為在參數(shù)設(shè)置時(shí)給出的頻率采樣間隔時(shí)間；比較該頻率值是否大于試驗(yàn)截止頻率，大于時(shí)則結(jié)束試驗(yàn)，反之，則確定下一頻率點(diǎn)的驅(qū)動信號，下一頻率點(diǎn)的驅(qū)動信號確定方法如下先計(jì)算頻率的差，其中是獲取的試驗(yàn)控制點(diǎn)響應(yīng)信號Δ an = aT (fn+1) -ac (fn)......................................(7)計(jì)算下一頻率點(diǎn)的期待加速度響應(yīng)a' (fn+1) = ac (fn) + α Δ an.....................................(8)根據(jù)此頻率的傳遞函數(shù)計(jì)算驅(qū)動信號Uc(fn+1) = a' (fn+1)/H(fn)....................................(9)然后重復(fù)步驟5)。
2.如權(quán)利要求1所述的航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法，其特征在于，所述事先設(shè)定的值為10_5。
3.如權(quán)利要求1所述的虛擬正弦振動試驗(yàn)方法，其中，航天器濾波及放大電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)取為1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種航天器虛擬正弦振動試驗(yàn)方法，包括模擬模型的構(gòu)建步驟；虛擬正弦振動試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置步驟；傳遞函數(shù)計(jì)算步驟；試驗(yàn)驅(qū)動信號生成步驟；虛擬正弦振動試驗(yàn)步驟。本發(fā)明的方法充分考慮了航天器真實(shí)振動試驗(yàn)的所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)，集成了振動臺試驗(yàn)控制系統(tǒng)和多個組成系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用閉環(huán)計(jì)算方法，顯著提高傳統(tǒng)開環(huán)數(shù)值方法的真實(shí)性和精度。
文檔編號G06F17/50GK102567575SQ20111040669
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者馮咬齊, 劉闖, 向樹紅 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所