一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法
【专利摘要】本发明公开了一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，该方法针对多星分配器分支多、质心高、频率低的复杂空间构型特点，对建立的空间有限元模型进行集频率、振型和频响函数为一体的模型修正，具体步骤包括：首先对初步建立的空间有限元模型进行初步模态分析，然后再对初筛后的模型进行模态和频响分析，并与模态试验和正弦扫描试验的试验结果进行比对，根据比对结果对模型进行进一步修正，最后将模型设定为飞行状态，从而得到飞行状态的空间有限元模型，该模型可用于进行动响应分析，或者用于基础级火箭进行全箭动特性和全箭动力学响应计算。
【专利说明】
一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航天器动力学分析技术领域，特别涉及一种集频率、振型和频响函数 为一体的模型修正方法，用于对多分支复杂空间结构有限元模型进行修正。
【背景技术】
[0002] 上面级位于火箭与卫星之间，为适应多星发射任务，上面级分配器往往设计成分 支多、质心高、频率低的复杂空间结构，同时某些分支模态有效质量较大，在一定程度上增 加了飞行状态下结构振动响应水平及动态干涉的风险，因此有必要建立精细有限元模型对 飞行动响应进行预示，以制定合理的试验条件或振动抑制措施。同时在组合体地面振动试 验中，为避免过试验需制定不同频率下的界面加速度/界面力带谷控制条件，也对有限元建 模精度提出较高要求。
[0003] 上面级模型修正不能简单照搬运载火箭或卫星模式，运载火箭长细比较大，一般 不进行整箭低频振动试验，而是主要依据自由边界模态试验对频率或振型进行修正，但这 种修正方法的低频率修正能力有限，一般频率修正上限不大于35Hz。航天器结构设计较为 紧凑，一般不开展模态试验，而是主要依据整星低频振动试验对频率和频响函数进行修正， 但是这种修正方法主要用于验证整体一阶横向和纵向频率。
[0004] 上面级分支结构多、且分支模态有效质量较大，使得其组合体动力学特性与传统 航天器相比更为丰富，需验证的频率上限也更高（有时可达40Hz甚至更高），因此需探索满 足工程需要的多分支复杂空间结构有限元模型修正技术。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种集频率、振型和频响函数为一 体的模型修正方法，该方法针对复杂空间构型的分支多、质心高、频率低的特点，对初步建 立的空间有限元模型进行初步模态分析，然后再对初筛后的模型进行模态和频响分析，并 与模态试验和正弦扫描试验的试验结果进行比对，根据比对结果对模型进行进一步修正， 最后再确定飞行状态的模型，该方法可以实现频率、振型和频率响应修正，修正后的模型更 精准。
[0006] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] -种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，包括如下步骤：
[0008] (1)、在设定的试验状态下，根据航天器各部段结构、推进剂加注质量、试验边界条 件，建立航天器的空间有限元模型，并进行各部段检查和组合体检查:如果检查结果满足设 定需求则进入步骤(2);如果检查结果不满足设定需求，则返回步骤（1)对所述空间有限元 模型进行调整；
[0009] (2)、对空间有限元模型进行自由状态模态分析和固支状态模态分析;分析结果满 足设定指标，则进入步骤(3);否则返回步骤(1)对空间有限元模型进行调整；
[0010] (3)、对空间有限元模型进行模态分析和频响分析，具体分析过程如下：
[0011] (3a)、进行固支状态模态分析，得到组合体固支模态频率和固支振型值;进行自由 状态模态分析，得到组合体自由模态频率和自由振型值；
[0012] (3b)进行频率响应分析，得到设定部位处加速度频率响应曲线，在所述曲线上查 找由大到小排序后的前N个峰值，记录所述N个峰值对应的频率值和加速度值;N为正整数；
[0013] (4)、将外部模态试验得到的模态频率和振型值，与步骤(3a)模态分析得到模态频 率和振型值进行对比，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正；
[0014] (5)、将外部正弦扫描试验得到的试验结果，与步骤(3b)频率响应分析得到的频率 响应结果进行对比，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正；
[0015] (6)、将空间有限元模型设定为飞行状态，用于进行动响应分析，或者用于基础级 火箭进行全箭动特性和全箭动力学响应预算。
[0016] 上述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，在步骤（1)中，在建 立航天器的空间有限元模型时，优先使用壳单元进行建模，对于不能用壳单元进行建模的 部件，采用梁单元、集中质量点单元或实体单元进行建模。
[0017] 上述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，在步骤(2)中，对空 间有限元模型进行自由状态模态分析和固支状态模态分析，具体分析过程和结果评估方法 如下：
[0018] 对空间有限元模型进行自由状态模态分析，得到各部段、组合体的各阶自由模态 频率，如果前六阶为零频且其他各阶为非零频，则判断自由状态模态分析结果满足设定指 标；
[0019] 对空间有限元模型进行固支状态模态分析:得到第一阶横向固有整体模态频率和 第一阶纵向固有整体模态频率，如果两个模态频率值均满足设定的火箭基频指标，则判断 固支状态模态分析结果满足设定指标。
[0020] 上述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，判断自由模态频率 是否为零频的具体方法如下:将自由状态模态分析得到的各阶自由模态频率与设定的零频 门限进行比较，如果自由模态频率小于或等于零频门限，则判断所述自由模态频率为零频。
[0021] 上述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，判断自由模态频率 是否为零频的具体方法如下：自由模态频率与第一阶横向固有整体模态频率或第一阶纵向 固有整体模态频率之比小于设定门限，则判断所述自由模态频率为零频。
[0022]上述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，在步骤(4)中，将外 部模态试验得到的模态频率和振型值，与步骤(3a)模态分析得到模态频率和振型值进行比 较，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正，具体实现过程如下：
[0023] (4a)、将模态试验得到的模态频率与模态分析得到模态频率进行比较，得到固支 频率偏差A fg和自由频率偏差A fz，其中
，匕4和匕4分别为模 态分析得到固支模态频率和自由模态频率，fgB和fzB分别为模态试验得到的固支模态频率 和自由模态频率；
[0024] (4b)、将模态试验得到的振型值与模态分析得到的固支振型值和自由振型值相比 得到固支振型一致性指标值MACg和自由振型一致性指标值MACZ;
[0025] (4。）、如果厶^彡厶^、厶匕彡厶^、]\^(：{；彡]\^(^或1厶(： 2彡]\^(^，则返回步骤（1)， 对空间有限元模型进行修正，其中A fth和MACth分别为设定的第一频率偏差门限和振型一 致性门限。
[0026]上述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，在步骤(5)中，将外 部正弦扫描试验得到的试验结果，与步骤(3b)频率响应分析得到的频率响应结果进行对 比，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正，具体实现过程如下：
[0027] (5a)、将步骤(3b)记录的N个峰值对应频率值和加速度值，与外部正弦扫描试验得 到的加速度频率响应曲线中的N个峰值对应的频率值和加速度值进行对比，得到相应的相 对频率偏差和绝对加速度偏差；
[0028] (5b)、如果相对频率偏差大于设定的第二频率偏差门限，则返回步骤(1)进行空间 有限元模型调整;如果绝对加速度偏差小于〇，则调整模态阻尼值并返回步骤(3b)重新进行 频率响应分析;其中，所述模态阻尼值的初值设定为1%。
[0029]上述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，在步骤(6)中，将空 间有限元模型设定为飞行状态后，首先对空间有限元模型进行自由状态模态分析和固支状 态模态分析，具体分析内容如下：
[0030] 对空间有限元模型进行自由状态模态分析，得到各部段、组合体的各阶自由模态 频率;如果前六阶为零频且其他各阶为非零频，则判断飞行状态下的空间有限元模型正常； 否则判断为出现异常，则调整飞行状态参数或自由模态分析的边界条件；
[0031] 对空间有限元模型进行固支状态模态分析，检查组合体横向固有整体模态频率和 纵向固有整体模态频率是否满足设定的基础级火箭的基频指标。
[0032] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0033] (1)、本发明在传统模态频率和振型修正基础上，通过频响理论分析筛选出三正交 试验方向的峰值频率和响应峰值，并与地面正弦扫描试验结果进行匹配，有效提高了动力 学模型修正的效率和精度。
[0034] (2)本发明通过对模态阻尼值的评估，可得出传统1%模态阻尼值的动力学响应理 论计算值能覆盖飞行环境值，是否保守的结论。
【附图说明】
[0035]图1为本发明的集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法的处理流程图；
[0036] 图2为本发明中频率响应分析得到的加速度响应曲线与正弦扫描试验得到的加速 度扫描曲线的对比图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明：
[0038] 本发明针对上面级分配器分支多、质心高、频率低的复杂空间构型特点，提出一种 集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，该方法对初步建立的空间有限元模型进 行初步模态分析，然后再对初筛后的模型进行模态和频响分析，并与模态试验和正弦扫描 试验的试验结果进行比对，根据比对结果对模型进行进一步修正，最后再确定飞行状态的 模型。如图1所示的方法流程图，本发明集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，具 体实现步骤如下：
[0039] 第一步:有限元建模以及模型初步检查
[0040] 在设定的试验状态下，根据航天器各部段结构、推进剂加注质量、试验边界条件， 建立航天器的空间有限元模型。其中，试验边界条件为自由悬吊工况或固定支撑工况。在建 立该模型时，优先使用壳单元进行建模，对于不能用壳单元进行建模的部件，采用梁单元、 集中质量点单元或实体单元进行建模。
[0041] 然后对初步建立的空间有限元模型进行初步检查，具体检查项目包括:将空间有 限元模型检查部位的质量、质心和转动惯量值与设定值或试验值进行比较，如果比较得到 的偏差值是否满足要求:如果满足则进入下一步，否则返回第一步对空间有限元模型进行 调整。
[0042] 在空间有限元模型建立过程中，需要将模型由非国际单位制统一到国际单位值， 需要检查是否存在模型修改不到位情况。
[0043]第二步、初步的模态分析和修正
[0044] 在该步骤中对空间有限元模型进行自由状态模态分析和固支状态模态分析具体 分析过程和结果评估方法如下：
[0045] 对空间有限元模型进行自由状态模态分析，得到各部段、组合体的各阶自由模态 频率，如果前六阶为零频且其他各阶为非零频，则判断自由状态模态分析结果满足设定指 标。并对空间有限元模型进行固支状态模态分析，得到第一阶横向固有整体模态频率和第 一阶纵向固有整体模态频率，如果两个模态频率值均满足设定的火箭基频指标，则判断固 支状态模态分析结果满足设定指标。如果以上分析结果均满足设定指标，则进入下一步，否 则返回第一步对空间有限元模型进行调整。
[0046] 在以上自由状态模态分析中，判断自由模态频率是否为零频的方法有两种：
[0047] 第1种:将自由状态模态分析得到的各阶自由模态频率与设定的零频门限进行比 较，如果自由模态频率小于或等于零频门限，则判断所述自由模态频率为零频。在本实施例 中可以设定零频门限为1 (T5Hz。
[0048] 第2种：自由模态频率与第一阶横向固有整体模态频率或第一阶纵向固有整体模 态频率之比小于设定门限，则判断所述自由模态频率为零频。在本实施例中可以将该门限 设定为0.1%。
[0049] 第三步:模态分析和频响分析
[0050] 在该步骤中，需要对空间有限元模型进行模态分析和频响分析，具体分析过程如 下：
[0051] (3a)、进行固支状态模态分析，得到组合体固支模态频率和固支振型值;进行自由 状态模态分析，得到组合体自由模态频率和自由振型值；
[0052] (3b)进行频率响应分析，得到设定部位处加速度频率响应曲线，在所述曲线上查 找由大到小排序后的前N个峰值，记录所述N个峰值对应的频率值和加速度值;N为正整数。 进行以上操作的主要原因在于:频响分析中的峰值频率与固支模态中的模态频率有一定对 应关系，且多分支结构的整体二阶或三阶横向频率对组合体加速度响应影响较大，因此在 模态试验及模型修正前，应通过频响分析筛选出各方向主要峰值频率及其上限范围，进行 重点识别和修正。
[0053] 在本实施例中，进行频率响应分析时，设定输入加速度激励的频率范围为5- 100Hz，量级为0.05g，并设定各阶模态阻尼为1%。在该设定条件下得到的加速度响应曲线 如图2所示，图中还将频率响应分析得到的理论值与正弦扫描试验中的试验值进行了对比。
[0054] 第四步:模态分析结果与模态试验结果进行比较
[0055] 在该步骤中，将外部模态试验得到的模态频率和振型值，与第三步模态分析得到 模态频率和振型值进行对比，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正，具体实现 过程如下：
[0056] (4a )、将模态试验得到的模态频率与模态分析得到模态频率进行比较，得到固支 频率偏差A fg和自由频率偏差A fz，其中
，匕4和匕4分别为模 态分析得到固支模态频率和自由模态频率，fgB和fzB分别为模态试验得到的固支模态频率 和自由模态频率；
[0057] (4b)、将模态试验得到的振型值与模态分析得到的固支振型值和自由振型值相比 得到固支振型一致性指标值MACg和自由振型一致性指标值MAC Z.
[0058]其中具体计算公式为：
，{: 是第i个固支试验模态振型向 量；{ 是第j个固支分析模态振型向量。
4>testi_g}是第i个自由试验模态振型向 量；{ 是第j个自由分析模态振型向量。
[0061] (4。）、如果厶^彡厶^、厶匕彡厶^、]\^(：{；彡]\^(^或1厶(： 2彡]\^(^，则返回步骤（1)， 对空间有限元模型进行修正，其中A fth和MACth分别为设定的第一频率偏差门限和振型一 致性门限。
[0062] 第五步:频率响应分析结果与正弦扫描试验结果进行比较
[0063]在该步骤中，将外部正弦扫描试验得到的试验结果，与第三步的频率响应分析得 到的频率响应结果进行对比，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正，具体实现 过程如下：
[0064] (5a)、将第三步记录的N个峰值对应频率值和加速度值，与外部正弦扫描试验得到 的加速度频率响应曲线中的N个峰值对应的频率值和加速度值进行对比，得到相应的相对 频率偏差和绝对加速度偏差。其中，相对频率偏差的计算方法为:先将频率响应分析记录的 频率值与正弦扫描试验的频率值作差，再用该差值除以试验频率值，得到相对频率偏差。绝 对加速度偏差等于频率响应分析记录的加速度值减去正弦扫描试验的加速度值。
[0065] (5b)、如果相对频率偏差大于设定的第二频率偏差门限，则返回步骤(1)进行空间 有限元模型调整;如果绝对加速度偏差小于〇，则调整模态阻尼值并返回步骤第三步重新进 行频率响应分析。其中，在第三步的频率响应分析中，设定模态阻尼值的初值为1 %，该初值 为本技术领域内普遍采用的模态阻尼值，本发明可以根据绝对加速度偏差来调整该模态阻 尼值，从而得到更为精准的有限元模型。
[0066] 第六步:确定飞行状态模型
[0067] 在该步骤中，将空间有限元模型设定为飞行状态，即将模型中的相关参数值均设 定为飞行状态参数，从而得到飞行状态的空间有限元模型，该模型可用于进行动响应分析， 或者用于基础级火箭进行全箭动特性和全箭动力学响应预算。
[0068]在该步骤中，为了确定飞行状态模型状态正常，可以首先对该空间有限元模型进 行自由状态模态分析，得到各部段、组合体的各阶自由模态频率;如果前六阶为零频且其他 各阶为非零频，则判断飞行状态下的空间有限元模型正常;否则判断为出现异常，则调整飞 行状态参数或自由模态分析的边界条件。
[0069] 然后对该空间有限元模型进行固支状态模态分析，检查组合体横向固有整体模态 频率和纵向固有整体模态频率是否满足设定的基础级火箭的基频指标。
[0070] 利用本发明的模型修正方法得到的模型参数如表1所示，其中包括试验值、模型修 正前和模型修正后的结果对比，从表中的对比结果可以看出，相对频率偏差小于10%，MAC 值>〇. 6，模型修正效果比较好。
[0071 ]表1模态计算值与试验值对比表
[0073] 以上所述，仅为本发明一个【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0074] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，其特征在于:包括如下步骤： (1) 、在设定的试验状态下，根据航天器各部段结构、推进剂加注质量、试验边界条件， 建立航天器的空间有限元模型，并进行各部段检查和组合体检查:如果检查结果满足设定 需求则进入步骤(2);如果检查结果不满足设定需求，则返回步骤（1)对所述空间有限元模 型进行调整； (2) 、对空间有限元模型进行自由状态模态分析和固支状态模态分析;分析结果满足设 定指标，则进入步骤(3);否则返回步骤(1)对空间有限元模型进行调整； (3) 、对空间有限元模型进行模态分析和频响分析，具体分析过程如下： (3a)、进行固支状态模态分析，得到组合体固支模态频率和固支振型值;进行自由状态 模态分析，得到组合体自由模态频率和自由振型值； (3b)进行频率响应分析，得到设定部位处加速度频率响应曲线，在所述曲线上查找由 大到小排序后的前N个峰值，记录所述N个峰值对应的频率值和加速度值;N为正整数； (4) 、将外部模态试验得到的模态频率和振型值，与步骤(3a)模态分析得到模态频率和 振型值进行对比，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正； (5) 、将外部正弦扫描试验得到的试验结果，与步骤(3b)频率响应分析得到的频率响应 结果进行对比，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正； (6) 、将空间有限元模型设定为飞行状态，用于进行动响应分析，或者用于基础级火箭 进行全箭动特性和全箭动力学响应预算。2. 根据权利要求1所述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，其特征 在于:在步骤（1)中，在建立航天器的空间有限元模型时，优先使用壳单元进行建模，对于 不能用壳单元进行建模的部件，采用梁单元、集中质量点单元或实体单元进行建模。3. 根据权利要求1所述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，其特征 在于:在步骤(2)中，对空间有限元模型进行自由状态模态分析和固支状态模态分析，具体 分析过程和结果评估方法如下： 对空间有限元模型进行自由状态模态分析，得到各部段、组合体的各阶自由模态频率， 如果前六阶为零频且其他各阶为非零频，则判断自由状态模态分析结果满足设定指标； 对空间有限元模型进行固支状态模态分析:得到第一阶横向固有整体模态频率和第一 阶纵向固有整体模态频率，如果两个模态频率值均满足设定的火箭基频指标，则判断固支 状态模态分析结果满足设定指标。4. 根据权利要求3所述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，其特征 在于:判断自由模态频率是否为零频的具体方法如下:将自由状态模态分析得到的各阶自 由模态频率与设定的零频口限进行比较，如果自由模态频率小于或等于零频口限，则判断 所述自由模态频率为零频。5. 根据权利要求3所述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，其特征 在于:判断自由模态频率是否为零频的具体方法如下：自由模态频率与第一阶横向固有整 体模态频率或第一阶纵向固有整体模态频率之比小于设定口限，则判断所述自由模态频率 为零频。6. 根据权利要求1所述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，其特征 在于:在步骤(4)中，将外部模态试验得到的模态频率和振型值，与步骤(3a)模态分析得到 模态频率和振型值进行比较，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正，具体实现 过程如下： (4a)、将模态试验得到的模态频率与模态分析得到模态频率进行比较，得到固支频率 偏差A fg和自由频率偏差A fz，其申gA和f ZA分别为模态分 析得到固支模态频率和自由模态频率，fgB和f ZB分别为模态试验得到的固支模态频率和自 由模态频率； (4b)、将模态试验得到的振型值与模态分析得到的固支振型值和自由振型值相比得到 固支振型一致性指标值MACg和自由振型一致性指标值MACz; (4c)、如果Afg《Afth、Afz《Afth、MACg《MAC化或MACz《MACth，则返回步骤a)，对空 间有限元模型进行修正，其中A fth和MACth分别为设定的第一频率偏差口限和振型一致性 口限。7. 根据权利要求1所述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，其特征 在于:在步骤(5)中，将外部正弦扫描试验得到的试验结果，与步骤(3b)频率响应分析得到 的频率响应结果进行对比，根据对比结果确定是否进行空间有限元模型修正，具体实现过 程如下： (5a)、将步骤(3b)记录的N个峰值对应频率值和加速度值，与外部正弦扫描试验得到的 加速度频率响应曲线中的N个峰值对应的频率值和加速度值进行对比，得到相应的相对频 率偏差和绝对加速度偏差； 巧b)、如果相对频率偏差大于设定的第二频率偏差口限，则返回步骤（1)进行空间有限 元模型调整;如果绝对加速度偏差小于0,则调整模态阻尼值并返回步骤(3b)重新进行频率 响应分析;其中，所述模态阻尼值的初值设定为1%。8. 根据权利要求1所述的一种集频率、振型和频响函数为一体的模型修正方法，其特征 在于:在步骤(6)中，将空间有限元模型设定为飞行状态后，首先对空间有限元模型进行自 由状态模态分析和固支状态模态分析，具体分析内容如下： 对空间有限元模型进行自由状态模态分析，得到各部段、组合体的各阶自由模态频率； 如果前六阶为零频且其他各阶为非零频，则判断飞行状态下的空间有限元模型正常；否则 判断为出现异常，则调整飞行状态参数或自由模态分析的边界条件； 对空间有限元模型进行固支状态模态分析，检查组合体横向固有整体模态频率和纵 向固有整体模态频率是否满足设定的基础级火箭的基频指标。
【文档编号】G06F17/50GK105912772SQ201610218740
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】林宏, 张新宇, 彭慧莲, 东华鹏, 王国辉, 陈益, 安雪岩, 王雪梅, 王明哲, 于秀丽, 陆浩然, 刘欣, 崔照云, 刘志伟, 张群, 杨自鹏, 杨勇, 唐颀, 曹梦磊, 杨炜平, 周佑君, 苗建全, 张巍, 刘建忠, 叶成敏, 肖泽宁, 郭源
【申请人】北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院