航天器振动试验力限条件设计半经验方法

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1、2011年2月中国空间科学技术1第1期ChineseSpaceScienceandTechnology航天器振动试验力限条件设计半经验方法李正举1马兴瑞2韩增尧1(1中国空间技术研究院，北京100094)(2中国航天科技集团公司。北京100037)摘要力限振动试验可以缓解传统加速度控制振动试验在试验件共振频率处产生的振动“过试验”现象。计算力限条件是进行力限振动试验的前提。介绍了力限振动试验的基本原理，给出了计算力限条件的基本过程，采用二自由度系统模型详细推导了半经验系数的计算方法，基于此方法计算了某航天器有效载荷力限随机振动试验的力限条件。结果显示，该方法可合理确定力限振动试验的力

2、限条件。关键词振动试验力限条件半经验方法二自由度系统航天器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．01．0011引言为了保证航天器及其各分系统和部组件能够经受住这些恶劣的动力学环境，必须进行充分的动力学环境试验。在传统的加速度控制振动试验中，试验夹具的机械阻抗与真实飞行构型中安装结构的机械阻抗存在很大的差异，如果仅采用加速度条件作为控制条件可能导致严重的“过试验”现象⋯。力限振动试验则是在传统振动试验加速度控制的基础上引入力限条件，实时监测并限制试验夹具与试验件之间的界面力，使振动试验中界面处的响应更能接近真实的动力学环境，从而起到缓解振动“过试验”现象的

3、目的，更好地保护振动试验中的试验件，避免其受到损伤。20世纪90年代初，NASA的喷气推进实验室最早将力限振动试验技术应用于航天器振动试验中，事实证明力限振动试验技术能够很好地缓解振动“过试验”现象Lz-4]。国内对力限试验技术的研究起步较晚，我国航天器设计部门和试验部门也已认识到力限控制技术的重要性和迫切性，并对此展开了一系列的基础研究和试验验证Ll’5]。设计力限条件是实现力限振动试验的前提。目前，计算力限条件主要有三种方法：简单二自由度方法(简单TDFS方法)、复杂二自由度方法(复杂TDFS方法)和半经验方法。半经验方法采用的计算公式相对简单，物理意义明确，所以应用比较广泛。但

4、是它需要大量相似结构的地面振动试验数据和飞行数据，并且对技术人员的工程经验要求较高，而目前我国的力限试验技术正处于研究探索阶段，所以有必要通过理论分析，探究半经验方法的理论基础，指导半经验方法在力限条件设计中的应用。2加速度条件和力限条件在力限振动试验中，采用的是加速度和力的极值控制方法，同时监测并限制试验夹具与试验件界面处的加速度和力。对于正弦振动，控制方程为国家重大科技专项工程收稿I：1期l2010·05—07．收修改稿H期l2010—09-20；生垦窒囹壁堂堇查!!!!至!旦谢≤1料≤1式中A7和F7分别为力限正弦振动试验中试验件与振动台界面处的加速度和界面力；F和A分别为力限

5、正弦振动试验加速度条件和力限条件。对于随机振动，控制方程可写为娑≤1要≤1式中S'AA和S7FF分别为力限随机振动试验中试验件与振动台界面处的加速度谱密度和界面力谱密度；SAA和SFF分别为力限随机振动试验加速度条件和力限条件。假定力限随机振动试验中加速度条件是对界面真实加速度谱密度的包络，力限条件是对界面真实力谱密度的包络。在工程应用中，力限随机振动试验的加速度条件和力限条件应满足下式：SFF=S从·掣(1)"-)AA—IF式中SFF坩为源和负载耦合结构中界面力谱的最大值；S从．IF为源和负载耦合结构中界面加速度谱的最大值。3力限条件设计的半经验方法力限条件设计的半经验方法是用来预

6、测相似的安装结构和试验件的力限的方法。文献[6]针对正弦试验和瞬态试验提出了预测力限的半经验公式：F=CMoAs(2)式中F为力限的幅值；C为半经验系数；Mo为负载(试验件)的总质量；A，为加速度条件的幅值。在工程应用中，C为一个与频率无关的常数，它由结构的固有特性所决定。式(2)应用于随机振动的形式为SFF=c2瞒S从(3)式(3)改进为[2]SFF=C2瞒S从厂≤厂o1SFF=器f>fo，H’式中，为激励频率；fo为试验件的基频。式(4)中C2和疗的选择必须参考相似航天器结构的飞行遥测数据、地面振动试验数据以及工程人员的经验判断。文献[2]参考了航天器Cassini的声试验中的数

7、据后，确定九为2，并指出可以参考简单TDFS方法计算c2值。文献E61指出，由于动力吸振效应，在实际结构系统中C很少超过1．4。文献[7]和[8]分别从试验和理论方面深入研究了半经验方法。4C2的确定考虑一个二自由度系统．如图1所示，优。和m：分别表示源(卫星平台)和负载(安装在该卫星平台上的有效载荷)；惫，和量：分别为简化模型中源和负载子系统的刚度；cl和cz分别为简化模型中源和负载子系统的阻尼。图1所示的二自由度系统的运动方程为班l芏I+矗l(zl一聋