《虚拟振动环境试验的初步尝试》

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1、第19卷第4期航天器环境工程2002年12月SpacecraftEnvironmentEngineering27虚拟振动环境试验的初步尝试周远方北京卫星环境工程研究所北京100029摘要文章介绍了一种新型振动试验仿真技术虚拟振动环境试验通过这门技术可以达到减少产品设计的盲目性优化试验设计缩短研制周期和节约经费的目的关键词振动试验仿真中图分类号V416.2文献标识码A文章编号200204-0027-041引言虚拟振动环境试验是一门新型的试验仿真技术其内涵为在虚拟试验室即在计算机内完成对一个产品或试验件的振动试验在我国航天事业高速发展的今天航天产品的系统级分系统级和组件级振动试验越

2、来越多但是由于航天产品的精密性昂贵性以及振动试验的风险性一些高难度的振动试验如产品尺寸大质量大试验量级过大试验谱型过于苛刻的振动试验往往难以进行另外每增加一次振动输入对于正样航天产品也都是不利的如果在制定和实施一个振动试验任务之前在虚拟试验室就完成了这个振动试验和它的预试验分析不仅能帮助设计人员事先了解受试产品在振动试验中的响应特性对受试产品在振动过程中可能发生的情况做到心中有数而且也能使试验设计人员对所选用的试验设备仪器和试验夹具是否能够承担完成这种试验条件下的振动试验以及对振动控制点的选择试验参数设置的合理性做到心中有数甚至可以对一些昂贵产品省去振动试验因此虚拟振动环境试验

3、可以减少设计的盲目性优化试验设计缩短研制周期节约经费而且还可以真实模拟有效载荷与运载火箭的共振耦合效应2虚拟振动环境试验研究状况20世纪90年代中期美国NASA的商地亚国家实验室着手研究了虚拟环境对试验的优化即VETO技术VirtualEnvironmentforTestOptimization研究人员首先将该技术应用于模态试验中由此开发研制了一个集分析模型与试验模型一体化的软件环境VETOmain模块通过这个模块可以在产品研制的早期阶段给试验部门和设计分析部门提供一种在计算机内数学模拟完整的试验环境的能力从而达到用分析结果指导试验的目的他们将由试验设备仪器和产品派生出来的模型

4、与VETOmain模块相互作用确定出力传感器和激振器安装的最佳位置以及要进行一个完整的模态试验应该选择的数据采集参数从而评估收稿日期2002-09-06作者简介周远方1959-女北京市人高级工程师主要从事航天器动力学环境振动与模态试验的研究工作28航天器环境工程第19卷第4期出不同类型的试验仪器和设备的使用情况如滤波器放大器和加速度传感器等完成预试验分析通过这种独特的分析和形象化能力使人们在产品还未加工制造之前就对产品进行了可靠性评估避免了设计的盲目性之后研究人员又将VETO技术应用于动力学振动试验中打破了过去在产品研制的最后阶段才进行动力学环境试验的传统做法利用它优化放置振动

5、控制传感器和加速度响应传感器找出所要选择的试验参数和振动条件从而完成振动试验设计评估出振动试验系统对一个组件级产品的综合试验能力所以VETO技术可以在进行实际振动试验之前就研究了不同控制参数的效果并且通过在虚拟环境中的分析模型或试验模型的建立来评估新的或现存夹具的设计情况另外这种试验设计环境还提供了一种将从振动试验设备仪器派生出来的模型分析地或试验地结合作用于表现振动试验情况的仿真模型的能力人们通过硬件闭环模拟系统利用这种仿真模型多方面地考察试验设计从而找出振动试验响应最大值确定出下凹控制的频率范围及量级减少了试验的重复为了在特殊的振动试验领域中提供适合不同需要的虚拟环境开发以

6、下两种特性的仿真方法a.振动试验仿真环境在这种环境中利用试验产品建立用于仿真的试验模型这个仿真模型是利用低量级振动激励的测量数据和系统辨识技术来建立的之后模型被下载到实时控制处理器中进行振动试验的硬件闭环仿真由于当前计算机软件和快速建模技术的高速发展使得进入这种试验方法的物理硬件很容易达到试验人员可以在不需要对真实产品进行满量级振动输入的情况下来设计一个振动试验完成大量的振动试验仿真由此预示出试验产品的响应情况评估试验夹具设计找出最佳控制策略如控制传感器的数量安放位置控制方法等通过实际应用得到了与实测曲线吻合程度很好的系统辨识拟合频响函数曲线b.有限元分析方法当没有试验产品时可

7、以采用有限元计算模型生成进行振动试验的仿真模型这种方法与模态VETO有很多相似之处其中一个主要相似之处是利用形象化软件环境同用户已经建立起来的有限元模型相互作用根据用于支持振动试验设计的外部载荷模型如振动台功率放大器对接块试验夹具和试验仪器模型等直接选择所希望的控制和响应位置再根据有限元分析的响应数据构造一个用于振动硬件闭环系统仿真的状态空间模型这个状态空间模型再与仪器模型加速度传感器和信号调节器结合起来下载到实时控制处理器中进行振动硬件闭环系统仿真在商地亚国家实验室目前这种有限元分析方法还