專利名稱：力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天器力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種用于航天器環(huán)境試驗(yàn)的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)及使用該振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行航天器環(huán)境試驗(yàn)的振動(dòng)試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
在國(guó)內(nèi)航天器振動(dòng)試驗(yàn)中，傳統(tǒng)的加速度控制方法得到了廣泛應(yīng)用。然而該方法在航天器產(chǎn)品共振頻段存在著明顯的缺陷，在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中由于界面阻抗的不同使得航天器結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)受遠(yuǎn)高于實(shí)際發(fā)射環(huán)境的加速度響應(yīng)，即產(chǎn)生過(guò)試驗(yàn)問(wèn)題，過(guò)試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致航天器上安裝的天線、太陽(yáng)翼、電源、各種敏感器等有效載荷分系統(tǒng)、部組件甚至是主結(jié)構(gòu)的損壞，降低航天器工作的可靠性和壽命。力限控制振動(dòng)試驗(yàn)方法是在傳統(tǒng)的加速度控制方法的基礎(chǔ)上，引入力響應(yīng)限幅控制技術(shù)，試驗(yàn)中要求試驗(yàn)件(航天器或航天器部件)同時(shí)滿足加速度試驗(yàn)條件和力響應(yīng)限幅控制條件。采用這種加速度與力的雙重控制的技術(shù)可以較真實(shí)的復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)件在發(fā)射狀態(tài)下系統(tǒng)共振時(shí)的響應(yīng)情況，在很大程度上緩解由于試驗(yàn)件界面阻抗動(dòng)力吸振效應(yīng)引起的過(guò)試驗(yàn)問(wèn)題，有效保護(hù)試驗(yàn)件的安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種解決航天器或航天器部件在傳統(tǒng)的加速度控制振動(dòng)試驗(yàn)中存在過(guò)試驗(yàn)問(wèn)題的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)及使用該系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的方法。本發(fā)明的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法，可以保證振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果滿足GJB1027A規(guī)定，控制精度優(yōu)于傳統(tǒng)的加速度控制振動(dòng)試驗(yàn)方法。本發(fā)明的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括振動(dòng)臺(tái)、安裝在振動(dòng)臺(tái)上部的用于放置試驗(yàn)件的力測(cè)量裝置、振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，力測(cè)量裝置包括上輔助工裝、下輔助工裝以及設(shè)置在兩個(gè)輔助工裝之間的三向力傳感器，上輔助工裝、下輔助工裝和三向力傳感器之間進(jìn)行機(jī)械連接，機(jī)械連接的預(yù)緊力應(yīng)能保證它們接觸面之間配合緊密，保證三向力傳感器和輔助工裝之間的預(yù)緊力大于力傳感器所受最大力，并且保證力測(cè)量裝置在承受縱向或橫向力時(shí)多個(gè)力傳感器之間受力均勻；上輔助工裝上安裝的加速度傳感器通過(guò)加速度電荷放大器與振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)電通信，三向力傳感器的力測(cè)量信號(hào)通過(guò)力信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行合力和合力矩計(jì)算并將計(jì)算的合力與合力矩時(shí)域信號(hào)電通信給振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)對(duì)加速度信號(hào)、合力和合力矩信號(hào)進(jìn)行處理后，發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)功率放大器進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，進(jìn)行力限控制振動(dòng)試驗(yàn)。其中，力信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)以下公式進(jìn)行合力和合力矩的計(jì)算設(shè)試驗(yàn)件縱向試驗(yàn)時(shí)沿Z軸方向振動(dòng)，橫向試驗(yàn)時(shí)沿Y軸方向振動(dòng)，則X軸垂直于 Y軸和Z軸，從而建立幾何坐標(biāo)系。在試驗(yàn)件振動(dòng)試驗(yàn)中，將第i號(hào)力傳感器測(cè)量得到的X、Y、Z向分力(時(shí)域信號(hào))分別設(shè)為Fx (i)、Fy (i)和Fz (i)，第i號(hào)力傳感器所在的坐標(biāo)值設(shè)為(χ (i)，y (i)，ζ (i))，坐標(biāo)值有正負(fù)號(hào)，由分力分別計(jì)算得到的繞X軸、Y軸、Z軸的力矩分別設(shè)為Mx(i)、M^i)和 Mz⑴Mx (i) = Fz (i) Xy(i)...................................................
(1)My (i) =-Fz(i) Xx(i)...................................................
(2)Mz (i) = -Fx (i) X y (i) +Fy (i) X χ (i).......................................
....(3)合力及合力矩測(cè)量值計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括振動(dòng)臺(tái)、安裝在振動(dòng)臺(tái)上部的用于放置試驗(yàn)件的力測(cè)量裝置、振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，力測(cè)量裝置包括上輔助工裝、下輔助工裝以及設(shè)置在兩個(gè)輔助工裝之間的三向力傳感器，上輔助工裝、下輔助工裝和三向力傳感器之間進(jìn)行機(jī)械連接，機(jī)械連接的預(yù)緊力應(yīng)能保證它們接觸面之間配合緊密，保證三向力傳感器和輔助工裝之間的預(yù)緊力大于力傳感器所受最大力，并且保證力測(cè)量裝置在承受縱向或橫向力時(shí)多個(gè)力傳感器之間受力均勻；上輔助工裝上安裝的加速度傳感器通過(guò)加速度電荷放大器與振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)電通信，三向力傳感器的力測(cè)量信號(hào)通過(guò)力信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行合力和合力矩計(jì)算并將計(jì)算的合力與合力矩時(shí)域信號(hào)電通信給振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)對(duì)加速度信號(hào)、合力和合力矩信號(hào)進(jìn)行處理后，發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)功率放大器進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，進(jìn)行力限控制振動(dòng)試驗(yàn)；其中，力信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)以下公式進(jìn)行合力和合力矩的計(jì)算 設(shè)試驗(yàn)件縱向試驗(yàn)時(shí)沿Z軸方向振動(dòng)，橫向試驗(yàn)時(shí)沿Y軸方向振動(dòng)，則X軸垂直于Y軸和Z軸，從而建立幾何坐標(biāo)系；在試驗(yàn)件振動(dòng)試驗(yàn)中，將第i號(hào)力傳感器測(cè)量得到的X、Y、Z向分力(時(shí)域信號(hào))分別設(shè)為Fx (i)、Fy (i)和Fz (i)，第i號(hào)力傳感器所在的坐標(biāo)值設(shè)為(X (i)，y (i)，Z (i))，坐標(biāo)值有正負(fù)號(hào)，由分力分別計(jì)算得到的繞X軸、Y軸、Z軸的力矩分別設(shè)為Mx⑴、My(i)和軋⑴ Mx(i) = Fz(i) Xy(i)....................................................(1)My α) = -Fz α) χχ α)....................................................(2)Mz (i) ="Fx(i) Xy(i)+Fy(i) Xx(i)...........................................(3)合力及合力矩測(cè)量值計(jì)算公式如下
2.權(quán)利要求1所述的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其中，所述試驗(yàn)件為航天器或航天器部件。
3.權(quán)利要求1所述的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其中，公式(1)-(9)的運(yùn)算均應(yīng)在時(shí)域中進(jìn)行。
4.權(quán)利要求1所述的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其中，所述三向力傳感器的數(shù)量為η個(gè)， 對(duì)于航天器，三向力傳感器優(yōu)選均布在同一圓周上。
5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其中，如果上輔助工裝、下輔助工裝采用花盆形狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先采用鋁鎂合金材料整體鑄造方式加工。
6.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其中，如果上輔助工裝、下輔助工裝采用圓環(huán)或平板形狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先采用硬質(zhì)鋁合金板材加工。
7.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其中，三向力傳感器采用壓電式傳感器，其尺寸和量程應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)件的最大受力來(lái)選擇。
8.一種利用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行力限控制振動(dòng)試驗(yàn)的方法，包括以下步驟a)在有效性校核前進(jìn)行合力和合力矩理論值計(jì)算在試驗(yàn)件未產(chǎn)生共振情況下，縱向振動(dòng)合力理論值計(jì)算公式為yz =(試驗(yàn)件質(zhì)量+工裝質(zhì)量)χ試驗(yàn)量級(jí)，其中工裝質(zhì)量應(yīng)包括上輔助工裝質(zhì)量、上輔助工裝與三向力傳感器及試驗(yàn)件連接工裝(如壓環(huán)、連接螺釘?shù)?的質(zhì)量之和；在試驗(yàn)件未產(chǎn)生共振情況下，橫向振動(dòng)合力及合力矩理論值計(jì)算公式 T； 二 (試驗(yàn)件質(zhì)量+工裝質(zhì)量)χ試驗(yàn)量級(jí)；JTx=(試驗(yàn)件質(zhì)量χ質(zhì)心高度+工裝質(zhì)量χ質(zhì)心高度)χ試驗(yàn)量級(jí)；b)在試驗(yàn)件安裝到振動(dòng)臺(tái)上之前，對(duì)力測(cè)量裝置本身或加裝標(biāo)準(zhǔn)配重后進(jìn)行低量級(jí)正弦掃頻或定頻預(yù)試驗(yàn)，并利用預(yù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)力測(cè)量裝置進(jìn)行有效性校核預(yù)試驗(yàn)為縱向試驗(yàn)時(shí)，取預(yù)試驗(yàn)時(shí)某個(gè)頻率點(diǎn)處測(cè)量得到的所有三向力傳感器的分力、合力、合力矩進(jìn)行校核，力測(cè)量裝置有效時(shí)應(yīng)滿足的條件為除縱向(Z向)合力外，其他方向合力和合力矩接近或等于零；所有力傳感器在縱向上分力幅值基本相等且相位一致， 其他方向上分力幅值接近或等于零；且縱向合力的理論值和測(cè)量值誤差不應(yīng)超過(guò)1/η，η為力傳感器的數(shù)目；其中，某個(gè)頻率點(diǎn)應(yīng)該滿足試驗(yàn)件在該頻率點(diǎn)處無(wú)共振，通常為試驗(yàn)起始頻率點(diǎn)；預(yù)試驗(yàn)為橫向試驗(yàn)時(shí)，取預(yù)試驗(yàn)時(shí)某個(gè)頻率點(diǎn)處測(cè)量得到的所有三向力傳感器的分力、合力、合力矩進(jìn)行校核，力測(cè)量裝置有效時(shí)應(yīng)滿足的條件為除橫向(Y向)合力、繞X軸合力矩外，其他方向合力和合力矩接近或等于零；所有力傳感器在橫向(Y向)上分力幅值基本相等且相位一致 ’離X軸距離越遠(yuǎn)，力傳感器在縱向上分力幅值越大；在X軸兩側(cè)針對(duì) X軸對(duì)稱的力傳感器，其縱向分力幅值應(yīng)基本一致且相位相反；在X軸同側(cè)的力傳感器的縱向分力相位應(yīng)一致；X方向上分力幅值均很??；橫向合力的理論值和測(cè)量值誤差不應(yīng)超過(guò) 1/η ；且繞X軸的合力矩的理論值和測(cè)量值誤差不應(yīng)超過(guò)1/η，η為力傳感器的數(shù)目，其中，某個(gè)頻率點(diǎn)應(yīng)該滿足試驗(yàn)件在該頻率點(diǎn)處無(wú)共振，通常為試驗(yàn)起始頻率點(diǎn)；c)安裝試驗(yàn)件到振動(dòng)臺(tái)上后，利用低量級(jí)正弦掃頻或定頻試驗(yàn)進(jìn)行再校核在縱向振動(dòng)試驗(yàn)和橫向振動(dòng)試驗(yàn)中，重新按照b)中有效性校核的步驟進(jìn)行再校核；d)進(jìn)行試驗(yàn)件的正式振動(dòng)試驗(yàn)正式試驗(yàn)包括正弦特征級(jí)、正弦全量級(jí)、隨機(jī)低量級(jí)、隨機(jī)全量級(jí)多個(gè)試驗(yàn)量級(jí)，按照規(guī)定的順序進(jìn)行。
9.如權(quán)利要求8所述的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)的方法，其中，在正弦或隨機(jī)全量級(jí)試驗(yàn)前，進(jìn)行一次低量級(jí)力限控制振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證力響應(yīng)限幅控制條件是否合適。
10.如權(quán)利要求9所述的力限控制振動(dòng)試驗(yàn)的方法，其中，低量級(jí)力限控制振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)量級(jí)與正弦或隨機(jī)低量級(jí)試驗(yàn)相同，力限幅控制條件應(yīng)由全量級(jí)力限幅控制條件按試驗(yàn)量級(jí)比例縮放得到；通過(guò)加速度譜自動(dòng)下凹的深度、寬度和位置以及力響應(yīng)限幅情況，檢查力限幅控制條件是否合適，不合適時(shí)要修改力限幅控制條件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種力限控制振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)以及使用該系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的方法。該試驗(yàn)系統(tǒng)包括振動(dòng)臺(tái)、安裝在振動(dòng)臺(tái)上部的用于放置試驗(yàn)件的力測(cè)量裝置、振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，力測(cè)量裝置包括上輔助工裝、下輔助工裝以及設(shè)置在兩個(gè)輔助工裝之間的三向力傳感器，上輔助工裝、下輔助工裝和三向力傳感器之間進(jìn)行機(jī)械連接。本發(fā)明的試驗(yàn)方法由于力信號(hào)信噪比高于加速度信號(hào)的信噪比，因此力響應(yīng)限幅控制的精度滿足GJB1027A要求的10％，也優(yōu)于傳統(tǒng)加速度控制方法的控制精度。
文檔編號(hào)G01M7/06GK102539101SQ201110456050
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者馮咬齊, 向樹紅, 岳志勇, 張俊剛, 李新明, 沈風(fēng)霞, 王劍, 王智勇 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所