２０１３年６月 第４０卷第３期 强度与环境 ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ＆ＥＮＶＩＲｏＮＭＥＮＴ ＥＮＧＩＮＥＥＩＵＮＧ Ｊｕｎ．２０１３ Ｖｌ０ｌ＿４０．ＮＯ．３ 整流罩仪器舱卫星系统瞬态响应分析 秦朝红 李海波 张忠 任方 黄波 （北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京１０００７６１ 摘要：对整流罩仪器舱卫星系统的瞬态响应进行了研究。建立了整流罩仪器舱卫星系统的有限元模型， 在瞬态激励作用下，求得其瞬态响应和响应冲击谱。进行了瞬态响应的快速正弦扫描等效方法研究， 对分离界面处的冲击响应谱进行曲线谱包络，得到了试验输入的激励。将等效前和等效后得到的瞬态 响应和冲击响应谱比较发现，分离前质量块的振动较强，但是子结构分离后，质量块振动减 弱，表现为“欠试验”；其他质量块等效后的响应比等效前的响应增大，表现为“过试验”，采用了下 凹处理，下凹处理后取得较好的等效效果。 关键词：瞬态响应；正弦扫描；整流罩仪器舱卫星系统 中图分类号：Ｖ４１４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—３９１９（２０１３）０３．００３６—０５ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｆａｉｒｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｃａｂｉｎ ａｎｄ ｐａｙｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍ ＱＩＮ Ｚｈａｏｈｏｎｇ ＬＩ Ｈａｉｂｏ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ ＲＥＮ Ｆａｎｇ ＨＵＡＮＧ Ｂｏ （Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｆａｉｒｉｎｇ，ａｐｐａｒａｔｕｓ ｃａｂｉｎ ａｎｄ ｐａｙｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｓｈｏｃｋｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ａ ｆａｓｔ ｓｉｎｅ ｓｗｅｅｐ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｓｐｅｃｔｕｍ ｅｎｖｅｌｏｐｉｒｎｇ ｏｆ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｓｈｏｃｋｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ａｆｔｅｒ ｓｕｂ—ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｃｅｎｔｅｒ ｍａｓｓ ｉｓ ｗｅａｋｅｎ，ｗｉｈ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｓｈｏｒｔ—ｔｅｓｔ，ｗｈｉｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｍａｓｓ ｉｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ，ｗｉｔｈ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｏｖｅｒ—ｔｅｓｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｃａｖｅ ｓｈｏｃｋｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｓｉｎｅ ｓｗｅｅｐ ｍｅｔｈｏｄ；ｆａｉｒｉｎｇ；ａｐｐａｒａｔｕｓ ｃａｂｉｎ ａｎｄ ｐａｙｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍ ０引言 目前，对瞬态冲击引起结构响应的评估上，有多种分析方法。响应时间历程分析具有量级 和持续时间的关系，能准确反应测量位置处结构的运动情况，可作为响应复现的重要依据，但 对于瞬态环境而言，响应时间历程重复性差，对多子样分析比较困难。因此在对瞬态冲击引起 收稿日期：２０１２．１２．１５；修回日期： ２０１３．０６．２４ 基金项目：国家重大基础研究项目 作者简介：秦朝红（１９７９一），女， 工程师，研究方向：结构动力学；（１０００７６）北京９２００信箱７２分箱 第４０卷第３期 秦朝红等整流罩仪器舱卫星系统瞬态响应分析 ３７ 结构响应的评估上往往用到冲击响应谱分析 五］。冲击响应谱是将受到机械冲击作用的一系列单 自由度系统的最大响应（位移、速度或加速度）作为各个系统固有频率函数的一种描述Ｉ３ ］。也 就是说，冲击响应谱描述了一系列单自由度振动系统，在冲击激励函数作用下，其冲击响应最 大值与系统固有频率之问的关系。而现在的整流罩仪器舱卫星系统为多自由度系统，因此本文 对整流罩仪器舱卫星系统的瞬态响应进行了研究。正弦扫描振动试验是试验室中经常采用的一 种试验方法，是解决各种机械和结构振动问题的一个重要手段【６ ］。正弦扫描激励用电动振动台 或液压振动台实现，振荡频率以线性或对数方式增大。振动幅值和扫描率按设备的响应模拟所 预示的瞬态事件的冲击响应谱响应来确定。正弦扫描激励可近似模拟真实环境对系统的响应进 行评估。本文研究了整流罩仪器舱卫星系统瞬态响应的正弦扫描等效问题。 １ 整流罩仪器舱卫星系统瞬态响应分析 整流罩仪器舱卫星系统是多自由度耦合的复杂系统。由于自由度之间的耦合作用，各个自 由度的瞬态响应也会相互影响，从而影响了正弦扫描试验条件的制定，因此有必要对该问题进 行研究。整流罩仪器舱卫星系统的有限元模型，如图１所示，输入的激励如图２所示。 图１整体有限元模型 图２瞬态加速度激励 在卫星上，有１Ｏ个质量节点（Ｎｏｄｅ１９７８，Ｎｏｄｅ２３４４，Ｎｏｄｅ２３６０，Ｎｏｄｅ２７６６，Ｎｏｄｅ３４６４， Ｎｏｄｅ４３１ｌ，Ｎｏｄｅ４３１５，Ｎｏｄｅ４３７８，Ｎｏｄｅ４４６９，Ｎｏｄｅ５１９９）的响应是比较受关注。如图３所示。 ｌ ～一 — ｌ ｌ Ｊ … ｌ ｝ ” ｌｉ ｉ 、 Ｉ ｌ ｝ 毒 差 融 ｌ 厂ｌ ｒ ｒ ｌ ｉ ｉ ｌ ｉ Ｉ ｔ…一 ｌ斟 ； ｌ 辛 士 ｌ｛ ｌ ｉ—了 一一 一 ｛ 一 ｌ 《 ｌ Ｉ ｌ ｌ Ｉ ｌ ｌ ｉ ｌ ｌ ｌ ｌｉ： 孪 ｉ 二｛＝： 土 ｛ｉ ｌ 一 ｌ ｒＩ ……ｌｉ 下： 针 ＋÷ 斗 ｝ ● 图３卫星上的质量节点 应用Ｎａｓｔｒａｎ软件，可计算得各质量节点的瞬态响应如图４所示，冲击响应谱如图５所示。 各质量节点的瞬态响应峰值如表１所示。 ３８ 强度与环境 图４各质量节点的瞬态响应 图５各质量节点的冲击响应谱 表１ 各质量节点的瞬态响应峰值（单位：ｒｒｄｓ ） Ｎｏｄｅ ４３７８ ５１９９ ４３１１ ４４６９ ３４６４ ４３１５ ２３４４ ２３６０ １９７８ 计算值 １．０５ ０．４０ ０．４０ １．０５ １．０５ ０．４０ １．０５ １．０５ １．０５ 从图４、图５及表１可以看出节点４３７８、４４６９、３４６４、２３４４、２３６０、１９７８的响应在１．０５ ｍ／ｓ 左右，节点５１９９、４３１１、４３１５的响应在０．４０ｍ／ｓ 左右。系统在受到瞬态冲击载荷时，振动幅值 会突然增大，而当载荷撤消的时候，系统会存在余谱，由于阻尼的存在，余谱逐渐衰减掉。 ２界面试验条件制定 为了对制定卫星的试验条件，我们对卫星支架处的响应进行了正弦扫描等效。支架处的节 点有内（Ｎｏｄｅｌ１７）、外（Ｎｏｄｅ２１）、中（Ｎｏｄｅ６９）三圈，其瞬态响应及冲击响应谱如图６所 示。为了保守起见，对Ｎｏｄｅ１１７的冲击响应谱进行了包络，如图７所示。根据等效后的试验条 件，进行瞬态响应计算，发现各节点的响应峰值比实际值大，因此对试验条件做了下凹处理， 如图８所示。不同扫描率下的等效加速度如图９所示。 Ｌ． ｒ一…… ｉ－ １ ５ ２ ２ ５ ３ ３ ５ 图６支架处的瞬态响应及冲击响应谱 口１日 。１６ ｌ＝＝ 嚣黧鑫纂 。１４ ０１２ ，、， ７ 善。明 。。６ 。口４ 、，￣， ｌ ， ｜ ／ １ ．ｌ 、 ＼． ， 口口２ ／ √ 图７试验条件制定 图８试验条件下凹处理 强度与环境 表３冲击响应谱比较 Ｎｏｄｅ ４３７８ ５１９９ ４３１１ ４４６９ ３４６４ ４３１５ ２３４４ ２３６０ １９７８ 计算值（ｍ／ｓ ） ５．９７ ２．４０ ２．４０ ５．９７ ５．９５ ２．４０ ５．９６ ５．９５ ５．９４ Ｒ＝２（ｍ／ｓ ） １３．７０ ２．８２ ２．８２ １３．６４ １３．６４ ２．８１ １３．６３ １３．５９ １３．６０ 误差（ｄＢ１ ７．２ １．４ １．４ ７．２ ７．２ １．４ ７．２ ７．２ ７．２ Ｒ＝３（ｍ／ｓ ） １１．８３ ２．４３ ２．４３ １１．７８ ｌ１．７８ ２．４３ ｌ１．７６ １１．７３ １１．７４ 误差（ｄＢ１ ５．９ ０．１ ０．１ ５．９ ５．９ ０．１ ５．９ ５．９ ５．９ Ｒ＝４（ｍ／ｓ ） １０．１８ ２．１０ ２．１０ １０．１４ １０．１４ ２．Ｏ９ １０．１２ １０．１０ １０．１０ 误差（ｄＢ） ４．６ ．１．１ ．１．１ ４．６ ４．６ —１．２ ４．６ ４．６ ４．６ 从图１ １、图１２以及表２、表３可以看出，扫描率为２时，节点４３７８、４４６９、３４６４、２３４４、 ２３６０、１９７８的冲击响应谱比计算值高７．２ｄＢ，超出了试验允许的指标范围；扫描率为３时节点 ４３７８、４４６９、３４６４、２３４４、２３６０、１９７８的冲击响应谱比计算值高５．９ｄＢ，接近试验指标允许的 最大范围。因此扫描率为４时，其正弦扫描等效效果较好。但是，正弦扫描等效后，节点２７６６ 的瞬态响应很小，响应峰值只有Ｏ．５ ｍ／ｓ 。 ４讨论 本文对整流罩仪器舱卫星系统的瞬态响应进行了研究。建立了整流罩仪器舱卫星系统的有 限元模型，在瞬态激励作用下，求得其瞬态响应和响应冲击谱。进行了瞬态响应的快速正弦扫 描等效方法研究，对分离界面处的冲击响应谱进行曲线谱包络，得到了试验输入的激励。受到 瞬态冲击载荷时，振动幅值会突然增大，而当载荷撤消的时候，系统会存在余谱，由于阻尼的 存在，余谱逐渐衰减掉。在瞬态激励作用下，节点４３７８、４４６９、３４６４、２３４４、２３６０、１９７８的响 应在１．０５ ｍ／ｓ 左右，节点５１９９、４３１１、４３１５的响应在０．４０ｍ／ｓ 左右。对分离界面处的冲击响应 谱进行曲线谱包络，得到了试验输入的激励。将等效前和等效后得到的瞬态响应和冲击响应谱 比较发现，等效前节点２７６６的振动较强，但是等效后其振动减弱，表现为“欠试验”；其他节 点等效后的响应比等效前的响应增大，表现为“过试验”，因此本文采用了下凹处理。下凹处 理后，扫描率为２时节点４３７８、４４６９、３４６４、２３４４、２３６０、１９７８的冲击响应谱比计算值高７．２ｄＢ， 超出了试验允许的指标范围；扫描率为３时节点４３７８、４４６９、３４６４、２３４４、２３６０、１９７８的冲击 响应谱比计算值高５．９ｄＢ，接近试验指标允许的最大范围；而扫描率为４时，各节点的冲击响应 谱与计算值的差值都在试验指标范围之内。因此扫描率为４时，其正弦扫描等效效果较好。 参考文献 ［１］黄友仙，宋文治，杨永新．瞬态环境的快速扫描模拟法［Ｊ］＿强度与环境，１９８０，（２）：１－９． 【２】王冰，田振强，张巧寿．摆锤式冲击响应谱试验台的仿真研究［Ｊ］．强度与环境，２０１２，３９（３）：２６—３１． ［３］穆瑞忠，张建华，皮本楼．航天器的冲击谱模拟试验方法［Ｊ］．强度与环境，２００８，３５（５）：３２—３７． ［４］Ｔｒｕｂｅｒｔ Ｍ，Ｓａｌａｍａ，Ｍ Ａ．Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｍｏｄａｌ ｓｈａｏｃｋ ｓｐｅｃｔｒａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ ｌｏａｄｓ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＡＩＡＡ Ｊｏｕｒｎａｌ １９８０，１８（８）：９８８—９９４． ［５］Ｒｕｂｉｎ，Ｓ．Ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｉｎ ｓｈａｃｋ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｓ］．Ｓｈｏｃｋ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ，Ｎ １９９６． ［６］陈福利．正弦扫频振动试验方法的初步探讨［Ｊ］．光电对抗与无源干扰．２００１，（４）：５１．５４． ［７］田光明，陈光踽．正弦扫描振动响应的时频分析［Ｊ］．振动与冲击．２００５，２４（６）：１３．１６． ［８］杨志东，丛大成，等．正弦扫频振动控制中的信号综合与信号分析［Ｊ］．振动工程学报，２００８，２１（３）：３０９—３１３． （编辑刘建中）
