“天宫一号”目标飞行器结构模态试验方法

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1、第28卷第6期航天器环境工程“天宫一号’’目标飞行器结构模态试验方法焦安超，冯咬齐(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：4天宫一号”目标飞行器结构初样模态诲验的激励方式、模态参数的识别方法及试验结果的评估等都有其独到的地方．多点激励模态试验的关键在于激励位置的选择厦考核输入激励力的相关性，识剐耦合紧密的模态结果重点在于参数识别算法。文章从模态试验原理出发，对多点激励在“天宫一号。el标飞行器结构初样模态试验中的应用巩拇舍紧密的模态试验结果的识剐方法进行了探讨和分析．关键词：目标飞行器；模态试验；多点激励；结构非线性验证中图

2、分类号：V416．2；V476．1文献标识码：B文章编号：1673-1379(2011)06-0593-04001：10．3969／j．issn．1673—1379．2011．06．0170前言“天宫一号”目标飞行器在其寿命期内经受着复杂的动力学环境，单纯的力学环境试验并不能将其结构特性完全表征出来。航天器的设计通常要采用数学模型，而数学模型的建立需要一系列相关的参数来表征。为了提取共振频率、刚度及阻尼等结构的特性参数以进一步验证和修正航天嚣设计的理论数学模型，就需要进行模态试验【l】。“天宫一号”目标飞行器在加注工质的状态下总质量为

3、8500kg，总高接近10m，主要由资源舱和实验舱组成，其中包括对接机构和太阳翼等多个分系统及部组件。为了有效地将目标飞行器的前三阶频率激励出来，需要采取多点激励的方式；同时为了有效地识别多个分系统与整器之间的耦合频率，对模态参数的识别方法有很高的要求。多个激励点位置的准确选择，能够使激励能量均匀分布到整器上，从而对航天器结构进行有效的激励【2】。对多点激励的输入力有较高的要求，而保证各个激励力不相关是获取结构频响函数的关键所在圆。本文从实际出发，对多点激励方法在“天宫一号”目标飞行器结构初样模态试验的应用进行了总结和探讨。1“天宫一

4、号”目标飞行器结构模态试验方法1．1试验模型结构的模态振型主要通过试验模型的振动试验获得。测点的布置要求能够完整、准确地获取被测结构的各阶振动形态，在满足模态可观测性的同时又要避开节点位置。“天宫一号”目标飞行器整器共布置测点148，其中：资源舱18个，试验舱56个，其他部位22个，另外为了让整器的试验模型更直观，通过线性插值的方式为该模型建立了52个附点。试验模型如图1所示。nt-·II：i。i：二也、图I“天宫一号”目标飞行器结构模态试验模型Fig．IThemodelforexperimen协lmodalanalysis(eMA)

5、oftheTim塔ong-1targetsp“Ⅸ∞n收藕日期：2011-10-28}修回日期：2011．11-30基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：焦安超(1973一)，男，硕士学位，主要从事动力学环境模拟试验研宛。联系电话：(010)68747423；E-mailjiamnchao@sina．com·航天器环境工程第28卷1．2试验边界条件“天宫一号”目标飞行器进行模态试验时，采用底端固定支承方式，即用螺钉将目标飞行器整器底端通过试验夹具固定在地轨上。为了考核固支边界的连接刚度，在试验夹具上粘贴了一个传感器，通过其响应来判断模

6、态试验的边界条件是否满足刚度要求。1．3试验激励系统采用3台500N和l台200N的电磁激振器与原有功率放大器、力传感器等设备组成模态试验的激励系统。激振器采用自由悬挂方式。其激励信号分为随机激励和步进正弦激励，而随机激励又分为纯随机和促发随机。步进正弦激励可用于对结构的非线性考核。选取激励点时，结合“天宫一号”目标飞行器的有限元分析模型，在z、Y、Z三个方向各选取一激励点(¨x向激励点均选在结构位移响应最大点处，z向激励点因安装位置的局限选在目标飞行器的中部)。其激励点的位置应避免接近节点或节线处，并尽量让激励能量均布到结构上，既保

7、证能充分激起结构响应又不引起局部过载。1．4边界连接刚度检查边界连接刚度的不同会引起共振频率与振型的明显改变【3】。模态试验正式开始之前，对“天宫一号”目标飞行器与连接面的连接刚度进行了检查。先接通模态系统，然后对固支边界进行振动激励，获取结构连接面的频响函数(FRF)(见图2)。由图2中连接面上测点的频响函数可以看出，连接面处没有任何响应，表明该航天器系统固支边界具备理想的刚度，可以进行正式的模态试验。图2连接面频响函数Fig．2FRFoftheboundaryI．5单点激励试验I．5．1y向激励试验用Y向激振器激励目标飞行器，获取

8、结构各测点的频响函数。综合各测点频响函数得到了结构的频响函数之和(见图3)。对结构进行模态分析，得到了目标飞行器v向一阶、二阶、三阶弯曲及2向一阶弯曲和整器的扭转模态参数。图3y向单点随机激励下结构频响函数之和Fig．3