专利名称：力限控制振动试验系统及试验方法
技术领域：
本发明属于航天器力学环境试验领域，具体涉及一种用于航天器环境试验的力限控制振动试验系统及使用该振动试验系统进行航天器环境试验的振动试验方法。
背景技术：
在国内航天器振动试验中，传统的加速度控制方法得到了广泛应用。然而该方法在航天器产品共振频段存在着明显的缺陷，在振动试验过程中由于界面阻抗的不同使得航天器结构会经受远高于实际发射环境的加速度响应，即产生过试验问题，过试验会导致航天器上安装的天线、太阳翼、电源、各种敏感器等有效载荷分系统、部组件甚至是主结构的损坏，降低航天器工作的可靠性和寿命。力限控制振动试验方法是在传统的加速度控制方法的基础上，引入力响应限幅控制技术，试验中要求试验件(航天器或航天器部件)同时满足加速度试验条件和力响应限幅控制条件。采用这种加速度与力的双重控制的技术可以较真实的复现试验件在发射状态下系统共振时的响应情况，在很大程度上缓解由于试验件界面阻抗动力吸振效应引起的过试验问题，有效保护试验件的安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决航天器或航天器部件在传统的加速度控制振动试验中存在过试验问题的振动试验系统及使用该系统进行振动试验的方法。本发明的振动试验系统和试验方法，可以保证振动试验结果满足GJB1027A规定，控制精度优于传统的加速度控制振动试验方法。本发明的力限控制振动试验系统，包括振动台、安装在振动台上部的用于放置试验件的力测量装置、振动试验控制系统以及数据采集与处理系统，力测量装置包括上辅助工装、下辅助工装以及设置在两个辅助工装之间的三向力传感器，上辅助工装、下辅助工装和三向力传感器之间进行机械连接，机械连接的预紧力应能保证它们接触面之间配合紧密，保证三向力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，并且保证力测量装置在承受纵向或横向力时多个力传感器之间受力均勻；上辅助工装上安装的加速度传感器通过加速度电荷放大器与振动试验控制系统电通信，三向力传感器的力测量信号通过力信号调节系统进行合力和合力矩计算并将计算的合力与合力矩时域信号电通信给振动试验控制系统以及数据采集与处理系统，振动试验控制系统对加速度信号、合力和合力矩信号进行处理后，发出的控制信号通过功率放大器进行放大后驱动振动台，进行力限控制振动试验。其中，力信号调节系统根据以下公式进行合力和合力矩的计算设试验件纵向试验时沿Z轴方向振动，横向试验时沿Y轴方向振动，则X轴垂直于 Y轴和Z轴，从而建立几何坐标系。在试验件振动试验中，将第i号力传感器测量得到的X、Y、Z向分力(时域信号)分别设为Fx (i)、Fy (i)和Fz (i)，第i号力传感器所在的坐标值设为(χ (i)，y (i)，ζ (i))，坐标值有正负号，由分力分别计算得到的绕X轴、Y轴、Z轴的力矩分别设为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)合力及合力矩测量值计算公式如下
权利要求
1.力限控制振动试验系统，包括振动台、安装在振动台上部的用于放置试验件的力测量装置、振动试验控制系统以及数据采集与处理系统，力测量装置包括上辅助工装、下辅助工装以及设置在两个辅助工装之间的三向力传感器，上辅助工装、下辅助工装和三向力传感器之间进行机械连接，机械连接的预紧力应能保证它们接触面之间配合紧密，保证三向力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，并且保证力测量装置在承受纵向或横向力时多个力传感器之间受力均勻；上辅助工装上安装的加速度传感器通过加速度电荷放大器与振动试验控制系统电通信，三向力传感器的力测量信号通过力信号调节系统进行合力和合力矩计算并将计算的合力与合力矩时域信号电通信给振动试验控制系统以及数据采集与处理系统，振动试验控制系统对加速度信号、合力和合力矩信号进行处理后，发出的控制信号通过功率放大器进行放大后驱动振动台，进行力限控制振动试验；其中，力信号调节系统根据以下公式进行合力和合力矩的计算 设试验件纵向试验时沿Z轴方向振动，横向试验时沿Y轴方向振动，则X轴垂直于Y轴和Z轴，从而建立几何坐标系；在试验件振动试验中，将第i号力传感器测量得到的X、Y、Z向分力(时域信号)分别设为Fx (i)、Fy (i)和Fz (i)，第i号力传感器所在的坐标值设为(X (i)，y (i)，Z (i))，坐标值有正负号，由分力分别计算得到的绕X轴、Y轴、Z轴的力矩分别设为Mx⑴、My(i)和轧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)合力及合力矩测量值计算公式如下
2.权利要求1所述的力限控制振动试验系统，其中，所述试验件为航天器或航天器部件。
3.权利要求1所述的力限控制振动试验系统，其中，公式(1)-(9)的运算均应在时域中进行。
4.权利要求1所述的力限控制振动试验系统，其中，所述三向力传感器的数量为η个， 对于航天器，三向力传感器优选均布在同一圆周上。
5.权利要求1-4任一项所述的力限控制振动试验系统，其中，如果上辅助工装、下辅助工装采用花盆形状结构，应优先采用铝镁合金材料整体铸造方式加工。
6.权利要求1-4任一项所述的力限控制振动试验系统，其中，如果上辅助工装、下辅助工装采用圆环或平板形状结构，应优先采用硬质铝合金板材加工。
7.权利要求1-4任一项所述的力限控制振动试验系统，其中，三向力传感器采用压电式传感器，其尺寸和量程应根据试验件结构和试验件的最大受力来选择。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的试验系统进行力限控制振动试验的方法，包括以下步骤a)在有效性校核前进行合力和合力矩理论值计算在试验件未产生共振情况下，纵向振动合力理论值计算公式为yz =(试验件质量+工装质量)χ试验量级，其中工装质量应包括上辅助工装质量、上辅助工装与三向力传感器及试验件连接工装(如压环、连接螺钉等)的质量之和；在试验件未产生共振情况下，横向振动合力及合力矩理论值计算公式 T； 二 (试验件质量+工装质量)χ试验量级；JTx=(试验件质量χ质心高度+工装质量χ质心高度)χ试验量级；b)在试验件安装到振动台上之前，对力测量装置本身或加装标准配重后进行低量级正弦扫频或定频预试验，并利用预试验结果对力测量装置进行有效性校核预试验为纵向试验时，取预试验时某个频率点处测量得到的所有三向力传感器的分力、合力、合力矩进行校核，力测量装置有效时应满足的条件为除纵向(Z向)合力外，其他方向合力和合力矩接近或等于零；所有力传感器在纵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；且纵向合力的理论值和测量值误差不应超过1/η，η为力传感器的数目；其中，某个频率点应该满足试验件在该频率点处无共振，通常为试验起始频率点；预试验为横向试验时，取预试验时某个频率点处测量得到的所有三向力传感器的分力、合力、合力矩进行校核，力测量装置有效时应满足的条件为除横向(Y向)合力、绕X轴合力矩外，其他方向合力和合力矩接近或等于零；所有力传感器在横向(Y向)上分力幅值基本相等且相位一致 ’离X轴距离越远，力传感器在纵向上分力幅值越大；在X轴两侧针对 X轴对称的力传感器，其纵向分力幅值应基本一致且相位相反；在X轴同侧的力传感器的纵向分力相位应一致；X方向上分力幅值均很小；横向合力的理论值和测量值误差不应超过 1/η ；且绕X轴的合力矩的理论值和测量值误差不应超过1/η，η为力传感器的数目，其中，某个频率点应该满足试验件在该频率点处无共振，通常为试验起始频率点；c)安装试验件到振动台上后，利用低量级正弦扫频或定频试验进行再校核在纵向振动试验和横向振动试验中，重新按照b)中有效性校核的步骤进行再校核；d)进行试验件的正式振动试验正式试验包括正弦特征级、正弦全量级、随机低量级、随机全量级多个试验量级，按照规定的顺序进行。
9.如权利要求8所述的力限控制振动试验的方法，其中，在正弦或随机全量级试验前，进行一次低量级力限控制振动试验，验证力响应限幅控制条件是否合适。
10.如权利要求9所述的力限控制振动试验的方法，其中，低量级力限控制振动试验的试验量级与正弦或随机低量级试验相同，力限幅控制条件应由全量级力限幅控制条件按试验量级比例缩放得到；通过加速度谱自动下凹的深度、宽度和位置以及力响应限幅情况，检查力限幅控制条件是否合适，不合适时要修改力限幅控制条件。
全文摘要
本发明公开了一种力限控制振动试验系统以及使用该系统进行振动试验的方法。该试验系统包括振动台、安装在振动台上部的用于放置试验件的力测量装置、振动试验控制系统以及数据采集与处理系统，力测量装置包括上辅助工装、下辅助工装以及设置在两个辅助工装之间的三向力传感器，上辅助工装、下辅助工装和三向力传感器之间进行机械连接。本发明的试验方法由于力信号信噪比高于加速度信号的信噪比，因此力响应限幅控制的精度满足GJB1027A要求的10％，也优于传统加速度控制方法的控制精度。
文档编号G01M7/06GK102539101SQ201110456050
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者冯咬齐, 向树红, 岳志勇, 张俊刚, 李新明, 沈风霞, 王剑, 王智勇 申请人:北京卫星环境工程研究所