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动态子结构法在航天工程中的应用研究

择要:以载荷阐发为主要内容,概述动态子布局法在航天工程中的利用。首先采纳约束子布局模态综合法与超单元法进行全箭级器箭耦合载荷阐发,给出器箭界面加速率前提、运载器和航天器的内部载荷;然后先容采纳航天器根基勉励措施与超单元法.依据全箭级器箭耦合载荷阐发给出的器箭界面加速率前提,进行航天器级的载荷二次阐发,给出航天器的内部载荷,可以证实载荷二次阐发所得航天器的内部载荷结果与全箭级器箭耦合载荷阐发结果一样。由此阐明航天器级载荷二次阐发得到结果是可托的,也便是说全箭级器箭耦合载荷阐发与航天器级载荷二次阐发流程是合理的、靠得住的。

关键词:布局动力学;模态综合法;子布局法;耦合载荷阐发

中图分类号:V414.1

文献标志码:A

文章编号:1004-4523(2015)04-0510-08

引 言

布局设计已从静态设计转为静、动态设计。运载火箭的布局设计不能再停顿在静态设计水平上,必须采纳以布局动力学阐发与试验为根基的动态优化设计技巧。胡海昌在“加快从静态设计到动态设计的过渡”一文中指出:从本色上来说,卫星布局设计应是一种动态设计。运载火箭和它发射的航天器(包括卫星、飞船、空间运输系统STS、有效载荷等)组成航天飞行器,器箭(航天器和运载火箭组合的简称)耦合载荷阐发是钻研航天飞行器布局动态相应的一种理论谋略措施,它不是谋略火箭所受的气动力、推力等外载荷,而是谋略在这些外载荷感化下火箭各部段的内力,航天工程的习气,把内力谋略称为载荷谋略。以往多关注布局模态阐发,本文多关注动态相应阐发。

航天器的设计历程始于以往类似布局的设计履历根基上的载荷初步预计。一旦航天器的初步设计及响应的图纸完成,就可建立各子布局动态有限元模型,航天器模型耦合到响应的运载器模型,形成了独特的器箭耦合模型,进行器箭耦合载荷阐发。初步设计载荷轮回是几个这样载荷轮回中的第一个。对付每个全箭级的器箭载荷轮回,运载器组织开拓的模型,对应发射升空每个事故的运动方程的数值求解,谋略系统的相应,给出运载器和航天器的内部载荷,最紧张的是给出器箭界面加速率前提,该力学情况前提是进行航天器及部组件布局设计的约束前提,同时也是地面验证试验和靠得住性评价的紧张依据。该器箭界面加速率前提与航天器载荷发还给航天器组织,进行布局的裕度评估。航天器组织根据器箭界面加速率前提进行载荷二次阐发,得到航天器的内部载荷,与作为初步设计阶段谋略载荷相对比,评估设计。若有负裕度的区域,则改动布局、从新阐发载荷、从新设计,任何布局变动生效之后,更新图纸和有限元模型,以反应这些设计变更。载荷阐发全部历程要反复进行多次载荷轮回。全箭级器箭耦合载荷阐发是大年夜轮回,涉及系统各个部门,事情量大年夜,阐发结果靠得住。然则,一个范例的航天器成长计划仅能有很少几回大年夜轮回,而每个全箭级器箭耦合载荷阐发后必要进行多次航天器级载荷二次阐发小轮回。这里自然孕育发生一个问题:采纳航天器模型进行载荷二次阐发得到结果是否靠得住,有多大年夜偏差,即由航天器组织根据器箭界面的加速率前提对航天器模型进行载荷二次阐发所得到航天器内部加速率(载荷)解,与由运载火箭组织根据器箭耦合载荷阐发得到航天器加速率(载荷)解是否同等,是否存在‘过设计’和‘欠设计’问题,是本文偏重钻研的问题。

本文以载荷阐发为主要内容,概述动态子布局法在航天工程中的利用。首先采纳约束子布局模态综合法与超单元法进行全箭级器箭耦合载荷阐发,给出器箭界面加速率解析解(称之为器箭界面加速率前提)、运载器和航天器的内部加速率(载荷)解析解;然后先容采纳航天器根基勉励措施与超单元法,依据全箭级器箭耦合载荷阐发给出的器箭界面加速率前提,进行航天器级的载荷二次阐发,给出航天器的内部加速率(载荷)解析解,严格证清楚明了载荷二次阐发所得航天器的内部加速率(载荷)解析解结果与全箭级器箭耦合载荷阐发给出的加速率(载荷)解析解结果一样。由此阐明航天器级载荷二次阐发所得到的结果是可托的,不存在‘过谋略’、‘欠谋略’问题,完善了航天器级载荷二次阐发措施。也便是说全箭级器箭耦合载荷阐发与航天器级载荷二次阐发的轮回流程是合理的。

1 运载火箭约束子布局模态综合法

采纳动态子布局法谋略一个大年夜型繁杂布局系统时,首先将整系一切划分为多少子布局。如图1所示,可以将航天飞行器划分为两个子布局:航天器为子布局A,运载火箭为子布局B。

为论述方便,仅斟酌如图1所示两个子布局的简单环境。但其综合措施不难推广到多个子布局环境。

1.1 器箭界面综合方程

自上世纪60年代初IIurty和Gradwell奠定模态综合技巧以来,子布局措施已广泛利用于航天航空和各类大年夜型工程领域,是一种繁杂布局建模与阐发的有效措施。采纳这种措施经由过程模态坐标变换可以把布局动力学问题化为缩聚自由度的问题,从而大年夜大年夜简化了谋略,前进了阐发效率。约束子布局模态综合法是在航天工程中利用最多的一种。

人们从外场振动丈量数据的阐发中已发明火箭在飞行历程中的振动情况本色上是多维振动。因而斟酌的振动自由度位移相应;XA,XB是多维向量。

子布局A,B的位移解析表达式分手为:式中 XA表示航天器自由度位移相应;XAS表示航天器内部自由度位移相应;XAm表示器箭界面自由度位移相应;XB表示运载火箭自由度位移相应;XBy表示运载火箭内部自由度位移相应;XBm表示器箭界面自由度位移相应;φAb为航天器特性值向量,qAb为响应的模态坐标;φBb为运载火箭特性值向量.qBb为响应的模态坐标;φA为航天器静约束模态;φB为运载火箭静约束模态。

采纳模态综合法求得系统的特性值和特性值向量,然后,采纳的模态叠加法进行相应的叠加。这个历程要进行复杂冗长的谋略。文献先容一种采纳器箭界面综合的新措施,导出器箭界面综合方程为式中 Am为全箭振动器箭界面加速率,方程(2)便是缩聚在器箭连接界面处的全箭动力学方程。MAB(ω)称之为器箭连接界面处布局的视在质量。FAB称之为器箭连接界面处缩聚力向量。方程(2)是器箭界面综合法导出的器箭界面动力学方程,或者称之广义牛顿方程。将航天器子布局自由度nA+m与运载子布局自由度nB+m,减缩为器箭界面上m个自由度的器箭界面综合方程(2)。MA(ω)称之为航天器子布局器箭界面视在质量,M8(ω)称之为运载子布局器箭界面质量。fA称之为航天器子布局器箭界面处缩聚力向量,fB称之为运载子布局器箭界面处缩聚力向量。

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