某型衛(wèi)星的隨機振動仿真預(yù)測與試驗驗證

胡利鴻，郭 濤，謝 鑫，李杰偉

（成都星時代宇航科技有限公司，四川 成都 610041）

引言

衛(wèi)星一般通過運載火箭發(fā)射到預(yù)定軌道上，而運載火箭在飛行過程中會承受復(fù)雜的振動載荷[1]，在研制過程中要進(jìn)行復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境試驗[2-3]。隨機振動是小型衛(wèi)星發(fā)射過程中需要經(jīng)歷的重要力學(xué)環(huán)境，鄧衛(wèi)華等[4]從理論和試驗兩方面對比分析了隨機振動環(huán)境和噪聲環(huán)境的特點及環(huán)境試驗的效果，得出隨機振動試驗比噪聲試驗更適合于小衛(wèi)星的結(jié)論。

關(guān)于衛(wèi)星振動的相關(guān)研究得到了國內(nèi)外航天領(lǐng)域研究者的大量關(guān)注[5-8]。但對衛(wèi)星的仿真和試驗對比分析研究則相對較少，因此本研究采用隨機響應(yīng)分析法對自主研發(fā)的第四代AI 衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，在得到結(jié)構(gòu)的均方根加速度基礎(chǔ)之上，對衛(wèi)星樣機進(jìn)行隨機振動試驗驗證，分析測得的衛(wèi)星振動數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，對仿真與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析探討。

1 衛(wèi)星有限元模型

衛(wèi)星三維模型見圖1，主要由衛(wèi)星主體、太陽翼、分離底座、星上設(shè)備組成。

圖1 衛(wèi)星模型

基于三維模型，建立衛(wèi)星的有限元模型，結(jié)構(gòu)之間的螺接簡化為固定約束，衛(wèi)星上的設(shè)備采用質(zhì)量點耦合到對應(yīng)安裝面的形式進(jìn)行加載，并約束分離底座的四個安裝角的六個自由度。

2 隨機響應(yīng)分析結(jié)果

將表1 所示的隨機振動試驗條件分別加載到衛(wèi)星模型的三個方向上，并在有限元模型上建立如圖2所示的11 個觀測點（F1～F11），所建立的觀測點與后續(xù)試驗中加速度計安裝位置保持一致。

表1 衛(wèi)星隨機振動試驗條件

圖2 仿真觀測點位置

得到觀測點位置加速度均方值見圖3，并計算得到各觀測點的均方根加速度見表2。

由圖3 可以看出，衛(wèi)星在隨機振動試驗條件激勵下，觀測點三個方向的加速度均方值均是呈上升、波動而后趨于平緩的走勢。且不同觀測點在同一方向上的曲線走勢基本一致，只是不同觀測點的振動幅值大小不同。振動幅值最大值位于150 Hz～800 Hz，這是由于衛(wèi)星隨機振動激勵在150 Hz 達(dá)到了最大值，且150 Hz 與衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)的一階振動頻率138.21 Hz非常接近，因此衛(wèi)星的振動在這個頻率范圍附近存在明顯放大，且響應(yīng)隨激勵的下凹而出現(xiàn)振蕩。由表2可以得出，X 方向隨機響應(yīng)最大值為測點F2 的16.59 g，Y 方向隨機響應(yīng)最大值為測點F1 的14.65 g，Z 方向隨機響應(yīng)最大值為測點F3 的8.97 g，各測點的整體響應(yīng)相對較小，證明衛(wèi)星具有良好的抗振性能，能夠確保衛(wèi)星上安裝設(shè)備的可靠運行。

圖3 觀測點各向加速度均方值

表2 仿真計算的各測點均方根加速度 單位:g

3 隨機振動試驗

3.1 試驗準(zhǔn)備

在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展衛(wèi)星的隨機振動試驗研究。將衛(wèi)星與振動試驗臺通過螺栓剛性連接，在與圖2 對應(yīng)的位置分別安裝一組三向加速度傳感器。

3.2 試驗結(jié)果分析

隨機振動試驗在衛(wèi)星的三個正交軸向分別進(jìn)行激振，對試驗各測點響應(yīng)的均方根加速度進(jìn)行統(tǒng)計并與仿真得到的測點均方根加速度對比，見表3。試驗得到X 向隨機響應(yīng)最大在測點F7 為16.78 g，Y 向隨機響應(yīng)最大在測點F3 為16.6 g，Z 向隨機響應(yīng)最大在測點F4 為13.4 g，各方向振動試驗后衛(wèi)星綜合電測正常，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

表3 隨機振動試驗和仿真中各測點的均方根加速度值

對比試驗和仿真數(shù)據(jù)可以看到，仿真與試驗得到的均方根加速度最大值不在同一測點，可能是仿真建模時模型簡化導(dǎo)致的，建模過程中將衛(wèi)星內(nèi)部安裝的各類電子設(shè)備簡化為質(zhì)量點耦合到相應(yīng)的安裝位置，雖能反應(yīng)結(jié)構(gòu)得質(zhì)量特性，但質(zhì)量點與電子設(shè)備的質(zhì)心位置仍會存在一定差異，簡化后對結(jié)構(gòu)的振動信號傳遞存在一定的影響，使得仿真得出的最大均方根加速度測點位置與試驗結(jié)果存在差異。仿真分析得到的部分測點數(shù)值與試驗數(shù)值非常接近，如測點F10 的Y向、F11 的X 向和Y 向等，從整體來看，仿真得到具有最大值的測點與試驗雖有一定差異，但仿真與試驗得到的最大值能夠很好的對應(yīng)，因此仿真仍能反應(yīng)部分結(jié)構(gòu)的振動特性。

隨機振動試驗后，衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)無變形和破裂，各連接件無松動和脫落，被試衛(wèi)星隨機振動試驗通過。

4 結(jié)論

本研究對自主研發(fā)的第四代AI 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析和隨機振動試驗驗證。得到主要結(jié)論有：

（1） 隨機振動仿真結(jié)果顯示，X 方向隨機響應(yīng)最大的在測點F2 的16.59 g，Y 方向隨機響應(yīng)最大的在測點F1 的14.65 g，Z 方向隨機響應(yīng)最大的在測點F3 的8.97 g，各測點的整體響應(yīng)相對較小，衛(wèi)星具有良好的抗振性能，能夠確保衛(wèi)星上安裝設(shè)備的可靠運行。

（2） 仿真和試驗的振動均方根加速度最大值能夠很好的對應(yīng)。仿真結(jié)果能夠較好的預(yù)測衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在隨機振動工況下的振動特性，試驗結(jié)果確認(rèn)了仿真結(jié)果的正確性，驗證了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的抗振性能。