航天器随机振动和噪声试验条件设计方法

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1、第29卷第2期航天器环境工程2012年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING163航天器随机振动和噪声试验条件设计方法张玉梅，韩增尧，邹元杰（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）摘要：随机振动和噪声环境条件对航天器的设计与试验验证至关重要。文章阐述了航天器动力学环境模拟试验的原则，重点介绍了试验量级和试验持续时间的确定方法及其优缺点。确定试验量级的方法包括极限包络法和正态容差限法，确定试验持续时间的方法包括逆幂律、疲劳损伤和首次穿越方法。关键词：振动试验条件；极限包络；

2、正态容差；失效模型中图分类号：V416.2文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)02-0163-05DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2012.02.0100引言件较为复杂，包括试验目的、试验对象的结构、试验量级、试验时间、试验容差等，而试验量级及试航天器在全寿命期间，要经历运输、装卸、起[3]验时间又是最关键的试验条件。因此，本文将对吊、发射、飞行、分离、着陆、返回等过程中诱导相关试验条件的设计方法予以重点介绍。产生的包括振动、噪声、冲击和加速度在内的动力学环境，而

3、这些环境是诱发航天器故障的重要原1试验量级的设计方法因。美国戈达德空间中心曾对在发射第一天就出现试验量级的设计方法主要有极限包络法、正态故障的57颗卫星进行过统计，其中振动及噪声环容差限法、非参数容差限法、经验容差限法和正态[1]境所引起的失效约占1/3。由此可见，航天器在预示极限值法，其中较为常用的是极限包络法和正发射前通过适当的动力学环境模拟试验以提前暴态容差限法。露潜在故障，对于确保其任务成功十分重要。1.1极限包络法早在1965年，NASA就提出了航天器动力学环境模拟试验的原则：1）若试验件在试验中

4、工作极限包络法是我国目前采用的方法，即用最大良好，则它在工作环境中也能正常工作；2）如果谱来描述随机振动与噪声环境。最大谱就是每个频试验件在试验中不能正常工作，那么它在工作环境率上谱密度的最大值，但在实际计算中往往不会逐中也不能正常工作。第一个原则意味着试验条件应一计算每个频率，而是以一定的带宽来划分。以噪[4]当至少跟工作环境同等严酷。第二个原则意味着试声载荷为例，其计算过程为：用连续均值来计算[2]每一个带宽（通常为1/3倍频程）的非平稳振动事验条件不能无道理地增加其严酷性。在工程实现上，第一个要求比较

5、容易实现，而第二个要求则难件的声压级（SPL）；确定每个带宽内的SPL最大以把握，这就是很多航天器过试验的原因。值，与最大值的发生时间无关；将每一个带宽内的如何合理地制定试验条件，既要能充分暴露缺最大值连接起来得到最大SPL谱值。为了简化，经陷又要避免过试验，一直是模拟试验研究的课题。常用一系列直线段（NASAHDBK7005规定为：直航天器发射段动力学环境的模拟试验包括静力试线数量通常不大于7条，斜率为0、±3dB/oct或验、正弦振动试验（定频和扫频）、随机振动试验±6dB/oct）使之光滑。以及噪声试

6、验。其中，随机振动和噪声的试验条极限包络法的主要优点是容易实施，但也有以————————————收稿日期：2011-10-28；修回日期：2012-04-05基金项目：国防973课题（项目编号：613133）作者简介：张玉梅（1981—），女，博士研究生，研究方向为航天器结构动力学；E-mail：blackcyclone@163.com。韩增尧（1969—），男，研究员，博士生导师，研究方向为航天器结构动力学；E-mail：hanzengyao@hotmail.com。164航天器环境工程第29卷[7]下不

7、足：振动与噪声都是随机过程，因该方法没有正态容差因子的另一种比较准确的计算方法是采用概率来描述随机过程，使得其不确定性无法量tf(,)λK=，(3)化；采用不同的带宽会产生一定的差异；试验量级n的制定带有一定的主观性，即两个有经验的工程师式中：λ=nKβ；f=n-1；Kβ为满足P(X≤Kβ)=β用相同的数据可能得到完全不同的光滑的极限。的正态分布分位点。采用β=0.95和γ=0.50计算的正态容差极限1.2正态容差限法通常被称为有50%置信度的95%正态容差极限，正态容差限法只适用于正态分布随机变量，但即P

8、95/50极限。50%置信度是指：在美国空军空间大量的试验证据表明飞行器声振响应近似满足对系统部（AFSSD）历史上仅有一个数据可用的情况数正态分布。因此，通过简单的对数变换下，其大于和小于真实值的概率是相等的。沿袭至y=lgx(1)今，即使有足够的测量数据允许选用更高的置信就可以估算其正态容差极限，式中x为结构响应。度，仍然采用P95/50[8]。设y的单边（上半部分）正态容差极限表示为正态容差限法与极限包络法