航天器基础激励SEA建模方法

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1、第29卷第3期航大器环境工程2012年6月SPACECRAFTENvIRONMENTENGINEERING283航天器基础激励SEA建模方法马建刚，盛美萍(西北工业大学航海学院，西安710072)摘要：针对航天器力学环境试验中随机横向基础激励高频预示技术开展了建模方法的研究。首先建立典型结构的有限元模型并开展仿真计算，获取背地板面内振动数据、连接环弯曲振动数据及振动台横向振动数据；进而分别建立背地板受纵向振动约束载荷、连接环受弯曲振动约束载荷的SEA模型，并将有限元计算结果作为激励源数据，利用统计能量分析【SEA)方法开展仿真分析，得到了航天器横向基础激励SEA建模的一般方法和步骤。研究表明：

2、横向基础激励下，可将环境试验中获取的振动台数据以弯曲波的形式施加到连接环上，进行航天器高频响应SEA预示。关键词：航天器；统计能量分析；有限元分析；横向基础激励；高频预示中图分类号：V416．2；U467．4文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)03-0283-04DOI：103969／j．issn．1673．1379．2012．03．0090引言航天器力学环境试验是在实验室条件下复现产品在发射、使用、运输及储存期间可能经受的环境效应，达到模拟产．昂破坏或失效的一种有效手段uJ。然而，试验只能在产品初样加T出来后进行。这使得产品环境适应性检验落后于产品设计加工，甚至可能导致凶不

3、满足要求而需重新设计。环境试验预示技术则口J弥补这种不足，实虮产品整体设计与环境设计同步，缩短产品研发周期，节约研发开支【2J。航天器环境试验预示技术起步较晚，但发展迅速。1990年Thampi和Vidyasagar采用有限元法对某窄问站舱段进行了随机振动分析，分析频率上限仅500Hz，显然对于高频振动响应不能作出很好的预测¨J。2002年韩增尧等人_4J在低频段采用有限元法、在高频段采用SEA开展了整星在宽带随机载荷下的响应预示研究，这是利用SEA开展航天器高频响应预示的有益尝试。2006年张军等人【51对某配重卫星垂向和水平方向的窄带随机激励进行有限元仿真分析，研究随机振动试验中卫星结构随

4、机响应。2010年张瑾等人【6J利用FE．SEA混合方法对航天器力学环境试验开展研究，为中频段预示奠定了良好的理论基础。近年来NASA在力学环境试验领域的研究也有重要进展一。8j。基于SEA的商用软件AutoSEA2中可以直接定义基础激励输入条件，但将振动环境试验载荷转化为软件许可的输入条件则比较困难【9J。SEA方法是以模态群来划分子结构的，因此在软件中，速度、加速度、能量及功率谱等载荷都须加载到特定模态群上。而实际测试获得的数据并非如此，试验中振动环境是通过振动台施加横向激励产生，测试数据能否提供模态群信息是SEA软件运用遇到的难题。在软件中我们可以将载荷加载到靠近振动台的背地板或连接环上

5、作为近似处理方法，而载荷量、加载模态群的确定就是本文要研究的问题。1模型建立为了掌握SEA横向基础激励的建模方法，奉文以一圆柱壳体与背地板耦合结构为例开展研究。物理模型参数为：圆柱壳体直径0．32m、长lm、壁厚0．001m；背地板长0．6m、宽0．5m、厚0．001m；连接环直径0．32m、长o．1m、厚0．001m；整个模型的材质为钢。首先，在ANSYS有限元软件中建立航天器结构受到的横向基础激励分析模型，如图1所示，其中振动台用分布于安装环底部的集中质量来模拟，计算参数为：集中质量每个2／9奴，共45个，等间距分布。收稿日期：2011-07—15；修回日期：2011-09．22作者简介：

6、马建刚(1988～)，男，硕士研究生，研究方向为噪声与振动控制：E-mail：maj91988@sina．ca。盛美萍(197旺)，女，教授，博士生导师，研究方向为噪声与振动控制；E-mail：smp@nwpu．edu．cn。航天器环境工程第29卷图1板壳祸合结构f内ANSYS模，弘Fig．1TheANSYSmodelforthecouplingstructuresofplateandshell2模态振型分析利用ANSYS软件仿真得到板壳耦合模型的前三阶共振频率分别为25．1Hz、50．3Hz和69．8Hz。通过计算获取能够反映圆柱壳体结构弯曲振动的所有模态振型，部分模态振型如图2所示。眵r融

7、’眵图2模态振型Fig．2Modalshapes由图2可见：一端固定于振动台、另一端自由的圆柱壳体结构，其振动在轴向呈现出悬臂梁的弯曲振动特性，而在环向则类似于板结构的弯曲振动。3谐响应分析在ANSYS软件中设置分析类型为谐响应分析，分析频率范围为O～2kHz，定义200个子步(频率间隔10Hz)，并在分布质量上施加水平方向的单位正弦激励力，执行求解，即可得到结构各节点在分析频率范围内各频率点振动