一种用于整星动力学分析的活动部件扰动测量与计算方法与流程

本发明涉及一种用于整星动力学分析的活动部件扰动测量与计算方法，属于卫星总体分析技术领域。

背景技术：

随着遥感卫星成像精度的日益提高，星上活动部件引起的振动对成像质量、微波指向精度以及卫星姿态精度的影响也越来越显著。对星上活动部件进行扰动特性测试，分析其引起的整星振动响应，是评价成像质量等受影响程度的必要手段。

活动部件的单机测试一般是在六分量测力平台上进行的，将活动部件固定于测力平台台面上，通过台体内部的敏感器获取扰动力和力矩。目前各研究机构应用较多的为Kislter公司的产品，同时，也有多家研究机构针对特定的扰动源部件研制了专用测试设备，如北航研制的柔性六分量测力台和刚性六分量测力台，韩国研制的HAU测力平台等。

在采用六分量测力平台进行测试时，测试结果不仅反映了活动部件的扰动特性，还包含了测力平台结构的力学特性以及活动部件自身结构的力学特性。当测力平台刚度足够大，基频远高于测量频段上限时，可以近似视为固支边界。但是，扰动力测量频段要求一般较宽，而测力平台的刚度难以无限制的提高。因此，测试得到的扰动力和力矩与活动部件直接承受的扰动力和力矩有一定的偏差，将其直接代入整星模型进行分析，可能会引起较大的误差，需要对测试数据进行校正。中国空间技术研究院对刚性六分量测试平台和柔性六分量测试平台进行反作用轮扰动特性测量试验研究，结果表明测试平台存在影响。而关于扰动力测试校正的研究和应用文献并不多。在CN201310446695号、名为“一种微振动信号处理方法”的专利中，通过试验手段，对六分量八传感器扰振力刚性测力台采集的微振动信号进行标定处理得到扰振力和误差分析，该专利考虑的是刚性测力平台，未同时考虑活动部件自身的柔性。Hwa-Suk Oh等提出了基于位移和转角信号的频域补偿方法，在测试扰动力的同时，在测力平台上布置若干加速度计，由加速度信号解算得到位移和转角，对扰动力进行频域校正。Elias等提出了动态质量法来补偿结构柔性对扰动力测量值的影响，在完成六分量力测试后，将被试件悬吊起来，采用激振器进行激励，获取其动态质量，代入补偿公式进行校正。这些方法相对复杂，增加了试验过程以及数据处理的难度。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对现有的卫星活动部件单机扰动力测试得到的扰动力与活动部件直接承受的扰动力有一定的偏差，将其直接代入整星结构动力学模型进行分析，会引起较大的误差这一问题，提供一种简单易行，成本低、精度高的用于整星动力学分析的活动部件扰动测量与计算方法。

本发明的技术解决方案是：一种用于整星动力学分析的活动部件扰动测量与计算方法，该方法包括如下步骤：

(1)、按照活动部件在星上真实连接状态，搭建活动部件扰动力测试平台：活动部件通过第一转接工装安装在测力平台上，测力平台再通过第二转接工装在刚性台体上，所述测力平台用于测量其连接界面上的测量力，即测力平台与第二转接工装连接界面上的测量力；

(2)、建立活动部件与第一转接工装连接界面的测量力真值F_a与测力平台连接界面上的测量力F_b的数学模型：F_a＝P(ω)F_b，所述P(ω)为频域校正函数；

(3)、在活动部件与第一转接工装的连接界面施加覆盖试验要求的频域范围的标准激励力F_t，获取测力平台连接界面上的测量力

(4)、基于步骤(3)所得的测力平台连接界面上的测量力与标准激励力F_t的数据，根据公式在频域上计算得到频域校正函数P(ω)；

(5)、使活动部件按星上真实状态工作，实测测力平台连接界面上的测量力F_b，根据F_a＝P(ω)F_b，计算得出活动部件与第一转接工装连接界面的测量力真值F_a，将F_a用于整星动力学分析。

所述步骤(3)中所述的标准激励力产生的标准激励力信号为锤击或扫频信号。

所述步骤(1)测量力真值F_a与测力平台连接界面上的测量力F_b的数学模型通过下列方法获得：

(1.1)、建立柔性试件刚性台体测量系统结构动力学模型，采用Craig-Bampton部件模态综合法降阶，并进行Laplace变换，得到测量力真值F_a与真实扰动力F_r的关系，所述F_r为活动部件内部动作产生的真实扰动力：

式中，ω为模态频率；Φ_c为活动部件的约束模态，Φ_s为活动部件将连接界面固定时的结构模态，m_ss为活动部件结构内部质量矩阵，m_as为活动部件与连接界面耦合质量矩阵；H_N＝-m_Nω²+iωc_N+k_N，c_N＝diag{2ξ_iω_im_i}，ξ_i、ω_i、m_i分别为第i阶的模态阻尼比、质量和频率；

(1.2)、建立柔性试件柔性台体测量系统模型结构动力学模型，采用Craig-Bampton部件模态综合法降阶，并进行Laplace变换，得到测力平台连接界面上的测量力F_b与真实扰动力F_r的关系：

式中，I_bb为单位对角阵，其中m_aa为连接界面上的质量矩阵；T_w＝iωc_w+k_w，其中c_w、k_w分别表示测力平台的阻尼和刚度矩阵；

(1.3)、分析(1.1)和步骤(1.2)所得的公式，得到测量力真值F_a与测力平台连接界面上的测量力F_b的关系：

F_a＝P(ω)F_b

式中，

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明对引起测量误差的机理进行分析，考虑到活动部件结构柔性、测力平台结构柔性对测试结果的影响及其耦合作用，建立了一种对活动部件测量数据进行频域校正模型，一种测试数据的频域校正函数解析式，获取测量力真值，并将测量力真值用于活动部件整星结构动力学分析；

(2)、本发明根据理论分析，给出了一种对活动部件测量数据进行频域校正的方法，校正后的扰动力测量真值F_a可直接作为活动部件整星结构动力学分析的界面扰动力输入；

(2)、本发明直接利用已有的试验条件，通过在连接界面施加标准力信号，即可实测得到频域校正函数，可在扰动力测量真值F_a过程中实施，简便易行；

(3)、本发明考虑了测力平台结构柔性对测试结果的影响及其耦合作用，试验可在柔性测力平台上进行，降低了对昂贵的高刚度测力平台的依赖，降低了测试成本。

附图说明

图1为本发明中的柔性试件刚性台体力学模型示意图；

图2为本发明中的柔性试件柔性台体力学模型示意图；

图3为本发明中的校正函数测试力学模型示意图；

图4a为本发明中的整星动力学实际受扰模型示意图；

图4b为本发明中的整星动力学分析模型示意图；

图5为本发明实施例的CMG扰动力测试示意图；

图6为本发明用于整星动力学分析的活动部件扰动测量与计算方法流程图；

图7为本发明实施例的CMG扰动力测试的频域校正函数；

图8a为本发明实施例的CMG扰动力测试校正前后的时域结果对比；

图8b为本发明实施例的CMG扰动力测试校正前后的频域结果对比。

具体实施方式

本发明提供了一种用于整星动力学分析的活动部件扰动测量与计算方法，可以获得真实的扰动力，用于整星结构动力学中活动部件的建模分析。下面通过活动部件扰动力真值的频域校正获取过程，对本发明进行详细的描述。

1、活动部件扰动力测量原理

对于活动部件而言，一般都通过控制回路保证其转速或摆速的稳定，而扰动力主要与转速或摆速相关，通过轴系作用于结构上。因此，可以假设其扰动力与活动部件外部连接无关。如图1所示，在进行扰动测量时，活动部件通过连接界面A固定在测力平台上。如果测力平台为理想刚体，则活动部件在界面A处为固支边界。若活动部件也为理想刚体，则界面A的受力即为扰动力。但活动部件扰动力的频率范围一般远超过其自身基频，必须计入活动部件的柔性。考虑柔性试件刚性台体的测量系统模型如图1所示。扰动力经活动部件自身结构传递至连接界面后，测量力F_a不同于真实扰动力F_r。

2、活动部件结构柔性影响分析

系统的控制方程可写为：

式中，m代表质量矩阵，c代表阻尼矩阵，k代表刚度矩阵，x代表位移矩阵；F_r代表真实扰动力，F_a代表活动部件连接界面A上的测量力；下标s代表活动部件内部节点，下标a代表界面A上的节点。采用Craig-Bampton部件模态综合法降阶，经Laplace变换，整理得：

式中，ω为模态频率；Φ_c为活动部件的约束模态，Φ_s为活动部件将连接界面固定时的结构模态，m_ss为活动部件结构内部质量矩阵，m_as为活动部件与连接界面耦合质量矩阵；H_N＝-m_Nω²+iωc_N+k_N，c_N＝diag{2ξ_iω_im_i}，ξ_i、ω_i、m_i分别为第i阶的模态阻尼比、质量和频率。

3、测力平台结构柔性影响分析

星上活动部件的扰动一般由运动部分的转动或摆动引起，扰动力的频率成分除包含转速或摆速对应的工频外，还包含了大量的倍频及谐波成分，扰动频段覆盖了1Hz到1000Hz以上。如果六分量测力平台的结构基频能够达到测试频段上限的2倍以上，则其对测试频段范围内的影响较小，可近似作为刚体考虑。然而，在工程实际中，提高测力平台台体结构和链接部位的刚度较为困难，其基频一般很难高于测量频段的上限。因此，有必要在测试中考虑测力平台的结构柔性。柔性试件柔性台体的扰动测量力学模型如图2所示，扰动源通过界面A固定于测力平台上，测力平台通过界面B固定于传感器上，B为测量界面。为简化分析过程，将测力平台台体结构质量集总于界面A和界面B，则其控制方程为：

式中，下标w代表界面B上的节点，F_b代表测力平台连接界面B上的测量力。采用Craig-Bampton部件模态综合法降阶，并进行Laplace变换，整理得：

式中，I_bb为单位对角阵，其中m_aa为连接界面上的质量矩阵；T_w＝iωc_w+k_w，其中c_w、k_w分别表示测力平台的阻尼和刚度矩阵。

对比式(2)可见，受到测力平台柔性的影响，测量力相对于真值发生了偏离。测量力的失真不仅与测力平台的力学特性相关，还与活动部件的力学特性相关。换言之，对于同样的测力平台，测试不同的活动部件时，其失真程度是不同的。

4、测量数据校正方法

定义频域校正函数：

由式(2)和(4)可知，测量力真值：

F_a＝P(ω)F_b (6)

实测得到的测量力与频域校正函数相乘后，即可得到测量力真值，进而应用于整星分析。频域校正函数的解析表达形式较为复杂，既包含了测力平台的结构参数，也包含了扰动源的结构参数，而扰动源的结构特性往往并不能直接获取。因此，采用数值方法或解析方法获取频域校正函数存在较大的困难，采用试验方法是较为可行的手段。

如图3所示，在活动部件与测力平台的连接界面施加一标准激励力F_t，设测量得到的力为则系统的动力学方程为：

采用Craig-Bampton部件模态综合法降阶，并进行Laplace变换，整理得：

即为频域校正函数。

在活动部件扰动测量实施过程中，将活动部件与测力平台连接后，对连接界面施加各正交方向的锤击信号或扫频信号，可获取相对于F_t的频响，其倒数即为频域校正函数。该方法在扰动力测试过程中即可实施，不需要二次拆装或其它辅助工装，简便易行。

5、活动部件与卫星结构耦合响应分析

在将测量得到的扰动力F_a代入整星动力学模型进行振动响应分析时，一般将其直接作用于活动部件与星体结构的连接界面，如图4(b)所示。而真实受扰情形，为F_r作用于活动部件结构上，如图4(a)所示。以下对分析模型与实际受扰的等价性进行证明。对于实际受扰情形，其控制方程可写为：

式中，下标h代表卫星内部节点。采用Craig-Bampton部件模态综合法降阶，并进行Laplace变换，整理得：

式中，x_a为活动部件结构响应，c_ah、k_ah分别表示活动部件与卫星连接界面上的耦合阻尼矩阵和刚度矩阵。

可求解卫星结构响应x_h。

对于分析模型，其控制方程可写为：

采用Craig-Bampton部件模态综合法降阶，并进行Laplace变换，整理得：

可求解卫星结构响应x_h。

将公式(2)中的F_a代入到公式(10)中，并与公式(12)进行比较，可知式(10)与式(12)等价，即分析模型与实际受扰情形的动力学方程等价，所以F_a可以用于动力学分析。由此可见，活动部件自身结构柔性造成的测量力与扰动力不一致，不会引起整星振动响应分析的误差。在整星振动响应分析中，将测量力直接施加于活动部件与星体结构的连接界面即可。

因此，可将式(2)所表示的F_a作为测量力真值。当测试数据受到其它因素响应时，可在频域对数据修正后得到此真值，该真值即可将其用于活动部件在整星中的动力学分析。

综上所述，如图6所示，一种用于整星动力学分析的活动部件扰动测量与计算方法，包括如下步骤：

(1)、按照活动部件在星上真实连接状态，搭建活动部件扰动力测试平台：活动部件通过第一转接工装安装在测力平台上，测力平台再通过第二转接工装在刚性台体上，所述测力平台用于测量其连接界面上的测量力，即测力平台与第二转接工装连接界面上的测量力；

(2)、建立活动部件与第一转接工装连接界面的测量力真值F_a与测力平台与第二转接工装连接界面上的测量力F_b的数学模型：F_a＝P(ω)F_b，所述P(ω)为频域校正函数；

(3)、在活动部件与第一转接工装的连接界面施加覆盖试验要求的频域范围的标准激励力F_t，获取测力平台与第二转接工装连接界面上测量力

(4)、基于步骤(3)所得的测量力与标准激励力c的数据，根据公式在频域上计算得到频域校正函数P(ω)；P(ω)对于结构来讲是固有特性，一般同一个频点所对应的值不变，在频域上计算得到频域校正函数的具体做法是将同一频点所对应的F和相除即可得到该频率所对应的频率校正值。

(5)、使活动部件按星上真实状态工作，实测测力平台与第二转接工装连接界面上的测量力F_b，根据F_a＝P(ω)F_b，计算得出活动部件与第一转接工装连接界面的测量力真值F_a，将F_a用于整星动力学分析。

实施例

某型号活动部件控制力矩陀螺(CMG)扰动力测试过程如图5所示，由于CMG安装面与Kistler测力平台机械接口不匹配，采用了平板式过度工装将二者连接。Kistler测力平台固定于刚性地基上。控制力矩陀螺1通过第一转接工装2安装在测力平台3上，测力平台3再通过第二转接工装4在刚性台体上。在扰动力测试之前，首先在CMG安装面处施加了3个正交方向的锤击信号，测量得到测力平台扰动力测量通道的频响，即频域校正函数的倒数，如图7所示。由图可见，对于CMG对应的主要扰动频率60Hz，100Hz及其对应的倍频，测量力相对于真值均出现了不同程度的失真。其中100Hz的纵向扰动力放大了接近20倍，失真程度最为严重。

采用频域校正方法对测量数据进行校正，得到的时域数据和频域数据如图8所示。经校正后，峰值由10.06N降低至4.17N，均方根由2.37N降低至0.82N，主要扰动频率对应的峰值也出现了明显变化。这说明，由于测试工装的柔性，使测试数据出现了显著失真，若将校正前的数据直接应用于整星结构动力学分析，必然出现较大的误差。因此，本发明能够通过简单的测力平台和计算方法对测量数据进行有效校正，再作为整星结构动力学分析中活动部件与卫星连接界面扰动力的输入。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知常识。