飛輪擾動(dòng)作用下衛(wèi)星結(jié)構(gòu)響應(yīng)能量預(yù)示方法

王 坤，趙 陽(yáng)，馬文來(lái)，王有懿

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 航天工程系，哈爾濱 150001)

航天事業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)航天器的指向精度及穩(wěn)定性提出了更高的要求，在軌運(yùn)行期間的各種干擾降低了天線和相機(jī)等有效載荷的工作性能，飛輪作為最主要的干擾源之一，嚴(yán)重影響衛(wèi)星等航天器的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定性，成為制約我國(guó)高精度航天器發(fā)展的主要因素［1］。研究航天器在飛輪作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，是抖動(dòng)抑制的基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)研發(fā)高精度和高穩(wěn)定度航天器具有重要意義。

研究飛輪擾動(dòng)下航天器結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的方法主要是有限元法［2］，作為一種數(shù)值解法，為保證解的合理性，在劃分有限單元時(shí)需保證每個(gè)波長(zhǎng)之內(nèi)包含一定數(shù)目的單元［3］，這樣，網(wǎng)格密度和計(jì)算成本會(huì)隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的升高而增加，故實(shí)際工程中，有限元技術(shù)局限于低頻振動(dòng)分析領(lǐng)域。

為解決航天器結(jié)構(gòu)中高頻響應(yīng)問(wèn)題，田浩等［4］將波動(dòng)方法用于衛(wèi)星框式結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)特性分析。波動(dòng)法可對(duì)全頻域進(jìn)行確定性描述，但它在高頻域?qū)吔鐥l件的數(shù)學(xué)模型要求較高，也具有一定局限性。

有限元法和波動(dòng)方法的一個(gè)主要缺陷在于其以位移為變量，力求得到結(jié)構(gòu)所有位移和所有頻率的精確解，因而導(dǎo)致了響應(yīng)預(yù)示結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)模型敏感和計(jì)算成本的增加。能量方法的出現(xiàn)在一定程度上解決了這一問(wèn)題。Lyon［5－6］給出了基于能量方法的結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析，這奠定了統(tǒng)計(jì)能量分析的基礎(chǔ)。能量方法具有計(jì)算量小、且變量對(duì)邊界條件不敏感等特點(diǎn)，因而在處理高頻域結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題中得到了很大發(fā)展。統(tǒng)計(jì)能量分析的基本要求是高模態(tài)密度，對(duì)模態(tài)密度較低的中低頻域，要得到中低頻響應(yīng)的能量預(yù)示結(jié)果，就需要突破模態(tài)密度的限制。Nefske等［7］在研究梁的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，得到了類(lèi)似熱傳導(dǎo)方程的能量方程，該方法結(jié)合有限元技術(shù)，發(fā)展為能量有限元法，與統(tǒng)計(jì)能量分析一樣，用能量作為變量，計(jì)算量較小，可分析高頻域的響應(yīng)。能量有限元由于不涉及模態(tài)密度，適用的頻域范圍比統(tǒng)計(jì)能量分析更廣，其結(jié)果可以精確到每個(gè)單元，且能得到更為精細(xì)的響應(yīng)預(yù)示結(jié)果［8］，Cho［9］研究了典型耦合結(jié)構(gòu)間的能量傳遞關(guān)系，使此方法更接近于實(shí)際工程應(yīng)用。

在 Bouthier和 Cho基礎(chǔ)上，Wang［10］發(fā)展了簡(jiǎn)化的能量有限元法，此方法在形式上與統(tǒng)計(jì)能量分析類(lèi)似，可以方便的利用統(tǒng)計(jì)能量分析軟件進(jìn)行響應(yīng)分析。Zhang［11］則針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)，分析了流體載荷下加筋板的能量密度響應(yīng)。Yan［12］進(jìn)一步地推導(dǎo)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量密度控制方程，為能量有限元法應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。Lee［13］結(jié)合周期理論，將能量有限元法推廣到旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的計(jì)算，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

鑒于能量有限元法的優(yōu)勢(shì)，本文將其引入航天器結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)分析。首先分析飛輪擾動(dòng)模型的特性，而后基于能量密度控制方程，結(jié)合有限元技術(shù)對(duì)衛(wèi)星框式結(jié)構(gòu)進(jìn)行抖動(dòng)響應(yīng)分析，為進(jìn)一步研究抖動(dòng)抑制提供理論依據(jù)。

1 飛輪擾動(dòng)模型

文獻(xiàn)［1］認(rèn)為轉(zhuǎn)子不平衡、飛輪結(jié)構(gòu)撓性、軸承振動(dòng)與摩擦以及電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩等四方面是飛輪擾動(dòng)主因。其中，轉(zhuǎn)子不平衡是最主要因素，它由飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均造成，可分為靜、動(dòng)不平衡兩類(lèi)，分別指飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)心與慣性軸不重合、飛輪轉(zhuǎn)子慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸不重合而產(chǎn)生的擾動(dòng)。當(dāng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩種擾動(dòng)將作為高頻激勵(lì)作用于航天器結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生高頻響應(yīng)，從而影響航天器的指向精度與穩(wěn)定度。

根據(jù)作者前期研究［14］，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析綜述，飛輪實(shí)驗(yàn)擾動(dòng)模型為:

其中:m(t)為飛輪產(chǎn)生的擾動(dòng)力或力矩(單位:N或Nm);n為模型中包含的諧波數(shù);Ci為第i次諧波幅值(單位:N/Hz2);Ω為飛輪的轉(zhuǎn)速(單位:Hz);hi為第i次諧波數(shù);αi為隨機(jī)相角，假定均勻分布在［0，2π］內(nèi)。

由此可見(jiàn)，擾動(dòng)模型中的擾動(dòng)力或力矩可分解成飛輪轉(zhuǎn)速的正弦波形式。其中諧波幅值Ci和諧波數(shù)hi需要利用振幅譜法和能量補(bǔ)償法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)獲取。本文作為理論方法研究，根據(jù)飛輪擾動(dòng)可以分解為正弦波激勵(lì)求和的特性，以單位正弦力作為激勵(lì)，研究頻域內(nèi)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。在混響狀態(tài)下，飛輪擾動(dòng)產(chǎn)生的能量密度響應(yīng)遵循線性疊加原理，飛輪擾動(dòng)的響應(yīng)以諧波幅值和諧波數(shù)作為對(duì)應(yīng)頻率響應(yīng)的加權(quán)值求和即可得到。

2 能量密度控制方程

針對(duì)一控制體，根據(jù)能量平衡原理有:

其中:p為控制體內(nèi)做功功率;πin為外界輸入功率;πdiss為損耗功率。

板的動(dòng)力學(xué)方程為:

式中:D為板彎曲剛度，η為阻尼系數(shù)，w為板橫向位移，ρ為板密度，h為板厚度，t表示時(shí)間。Bouthier［8］將板的橫向位移表示為:

則方程可以寫(xiě)為:

結(jié)構(gòu)振動(dòng)的解分為近場(chǎng)解和遠(yuǎn)場(chǎng)解，近場(chǎng)解只在不連續(xù)處附近起作用，在遠(yuǎn)離不連續(xù)處的位置，近場(chǎng)解很快衰減，只剩下遠(yuǎn)場(chǎng)解的作用，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)全局分析時(shí)，近場(chǎng)解可以忽略，并且考慮到阻尼系數(shù)η是個(gè)小量，方程的解可以寫(xiě)為:

式中:kx，ky分別表示 x，y方向的波數(shù)。時(shí)間與空間平均能量密度為:

式中*表示求共軛。

功率為:

其中:

式中:Mxx，Mxy，Myx，Myy分別表示各方向彎矩，Qx，Qy表示各方向剪力。

將位移表達(dá)式代入，可得關(guān)系式:

代入能量平衡方程可得板的彎曲波能量密度控制方程:

其中:ω為角頻率;cg為彎曲波的群速度;e為能量密度。

由有限元理論［15］，根據(jù)加權(quán)余值法，其離散形

式為:

式中:

式中:Γ為單元邊界;n為單元邊界的單位方向矢量。NT為列向量，表示形函數(shù)向量的轉(zhuǎn)置向量。

工程中的絕大部分結(jié)構(gòu)都非單獨(dú)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，而是由簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)組合而成，因此需要進(jìn)一步考慮簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)間互相耦合的情況。

由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的能量密度不連續(xù)，耦合結(jié)構(gòu)間的能量傳遞需要通過(guò)耦合處的功率流表示。對(duì)于二維連接節(jié)點(diǎn)為:

式中:Q為節(jié)點(diǎn)功率流，e表示節(jié)點(diǎn)能量密度值。下標(biāo)i，j表示連接單元編號(hào)，上標(biāo) m，m+1，n，n+1表示對(duì)應(yīng)連接單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)。KJ稱(chēng)為連接矩陣，單元離散形式為:

得到考慮耦合情況的能量密度控制方程整體有限元形式為:

結(jié)構(gòu)不連續(xù)處能量關(guān)系通過(guò)連接矩陣［KJ］實(shí)現(xiàn)。

3 算例及分析

本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星框式承力結(jié)構(gòu)如圖1所示，板的幾何尺寸均為1 m×1 m，模擬飛輪擾動(dòng)的激勵(lì)作用于板1中部位置，各板的密度為ρ=2 700 kg/m3，阻尼系數(shù) η =0.001，泊松比 ν=0.3，彈性模量 E=7.1 ×1010N/m2，板厚 h=0.001 m。

衛(wèi)星框式承力結(jié)構(gòu)的每個(gè)面劃分為24×24的四邊形有限元網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖1 衛(wèi)星框式結(jié)構(gòu)圖Fig.1 satellite structure

板1是飛輪激勵(lì)直接作用的板，當(dāng)載荷頻率為50 Hz、500 Hz 和 900 Hz時(shí)，對(duì)板1、板2的能量密度響應(yīng)空間分布進(jìn)行計(jì)算。

圖2中，板 1的中部能量密度出現(xiàn)峰值，此處為激勵(lì)作用位置，飛輪的擾動(dòng)作為一種能量形式直接輸入到此位置，因此該位置的振動(dòng)幅度最大，即對(duì)應(yīng)的能量值也最高。在其它位置，由于阻尼的存在，能量密度值逐漸減小，由于能量密度為空間域內(nèi)的平均值，所以整體呈現(xiàn)平滑的分布狀態(tài)。圖3所示的板2由于沒(méi)有激勵(lì)源輸入，整體呈現(xiàn)平滑狀態(tài)，并且隨著遠(yuǎn)離激勵(lì)源，能量密度值逐漸降低。

由圖2和圖3所示各頻率下板1和板2的能量密度響應(yīng)對(duì)比可以看出，在板的連接處存在能量密度值的不連續(xù)，這是由結(jié)構(gòu)耦合引起的能量密度損失導(dǎo)致，Cho對(duì)耦合結(jié)構(gòu)間能量傳遞關(guān)系進(jìn)行了深入研究，用能量的透射和反射系數(shù)表征結(jié)構(gòu)耦合間的能量關(guān)系，并給出了典型耦合時(shí)能量反射系數(shù)和透射系數(shù)的解析表達(dá)式［9］，但在工程中并不適用，實(shí)際中，耦合結(jié)構(gòu)間的能量傳遞關(guān)系通常由實(shí)驗(yàn)得到，本文利用有限元程序通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)得到。

在頻率域內(nèi)，用能量有限元方法與傳統(tǒng)波動(dòng)方法得到的結(jié)果如圖4和圖5所示。經(jīng)計(jì)算，板2中點(diǎn)的波動(dòng)解平均值為79.6 dB，EFEM 平均值為77.3 dB;板3中點(diǎn)波動(dòng)解平均值為81.5 dB，EFEM平均值為77.2 dB;平均值相差5%左右，并且能量有限元得到的值小于波動(dòng)解的值，這種現(xiàn)象正是能量有限元法忽略近場(chǎng)解的體現(xiàn)。由圖4和圖5可見(jiàn)，近場(chǎng)解在低頻范圍內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的響應(yīng)影響較大。以圖4為例，低于200 Hz時(shí)，波動(dòng)解的上下波動(dòng)幅度較大，隨著頻率的升高，波長(zhǎng)變短，近場(chǎng)解作用的范圍隨之變小，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響也逐漸弱化，波動(dòng)解在能量有限元解附近波動(dòng)的幅度逐漸減小。

由圖4和圖5顯示，傳統(tǒng)波動(dòng)方法得到的能量密度響應(yīng)值呈現(xiàn)出密集的模態(tài)，對(duì)頻率的變化敏感度很高，頻率的微小改變會(huì)引起振動(dòng)預(yù)示結(jié)果急劇變化，而利用能量有限元技術(shù)得到的響應(yīng)曲線呈平滑變化狀態(tài)，它預(yù)示的是在頻域范圍內(nèi)平均的振動(dòng)能量狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文基于飛輪擾動(dòng)模型特性，針對(duì)衛(wèi)星框式結(jié)構(gòu)，采用能量有限元方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)示研究，得出了以下結(jié)論與啟示:

(1)飛輪擾動(dòng)力在飛輪作用處的響應(yīng)最大，響應(yīng)值會(huì)隨著與激勵(lì)源距離的增大而減小，所以針對(duì)飛輪擾動(dòng)的隔振在飛輪附近可以取得最好效果。

(2)能量有限元法預(yù)示的是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)響應(yīng)的平均效果，并且低于傳統(tǒng)方法的預(yù)示值，相對(duì)于傳統(tǒng)以位移為變量的方法，更適合中高頻響應(yīng)預(yù)示。

(3)能量有限元法在預(yù)示飛輪擾動(dòng)時(shí)對(duì)頻率變化不敏感。而實(shí)際工程中并不存在激勵(lì)的精確模型，因此，能量有限元法的預(yù)示效果更具有參考價(jià)值。

飛輪是引起航天器擾動(dòng)的主要因素但不是唯一因素，而且航天器的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，為更好的解決航天器擾動(dòng)引起的指向精度等問(wèn)題，需要綜合考慮各種擾動(dòng)的特征并結(jié)合更為精細(xì)的航天器模型進(jìn)一步分析。

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