“天宫一号”目标飞行器结构模态试验方法

2011-06-08焦安超冯咬齐

航天器环境工程 2011年6期

焦安超，冯咬齐

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 前言

“天宫一号”目标飞行器在其寿命期内经受着复杂的动力学环境，单纯的力学环境试验并不能将其结构特性完全表征出来。航天器的设计通常要采用数学模型，而数学模型的建立需要一系列相关的参数来表征。为了提取共振频率、刚度及阻尼等结构的特性参数以进一步验证和修正航天器设计的理论数学模型，就需要进行模态试验[1]。

“天宫一号”目标飞行器在加注工质的状态下总质量为8 500 kg，总高接近10 m，主要由资源舱和实验舱组成，其中包括对接机构和太阳翼等多个分系统及部组件。为了有效地将目标飞行器的前三阶频率激励出来，需要采取多点激励的方式；同时为了有效地识别多个分系统与整器之间的耦合频率，对模态参数的识别方法有很高的要求。多个激励点位置的准确选择，能够使激励能量均匀分布到整器上，从而对航天器结构进行有效的激励[2]。对多点激励的输入力有较高的要求，而保证各个激励力不相关是获取结构频响函数的关键所在[2]。本文从实际出发，对多点激励方法在“天宫一号”目标飞行器结构初样模态试验的应用进行了总结和探讨。

1 “天宫一号”目标飞行器结构模态试验方法

1.1 试验模型

结构的模态振型主要通过试验模型的振动试验获得。测点的布置要求能够完整、准确地获取被测结构的各阶振动形态，在满足模态可观测性的同时又要避开节点位置。“天宫一号”目标飞行器整器共布置测点 148，其中：资源舱 18个，试验舱56个，其他部位22个，另外为了让整器的试验模型更直观，通过线性插值的方式为该模型建立了52个附点。试验模型如图1所示。

图1 “天宫一号”目标飞行器结构模态试验模型Fig.1 The model for experimental modal analysis(EMA) of the Tiangong-1 target spacecraft

1.2 试验边界条件

“天宫一号”目标飞行器进行模态试验时，采用底端固定支承方式，即用螺钉将目标飞行器整器底端通过试验夹具固定在地轨上。为了考核固支边界的连接刚度，在试验夹具上粘贴了一个传感器，通过其响应来判断模态试验的边界条件是否满足刚度要求。

1.3 试验激励系统

采用3台500 N和1台200 N的电磁激振器与原有功率放大器、力传感器等设备组成模态试验的激励系统。激振器采用自由悬挂方式，其激励信号分为随机激励和步进正弦激励，而随机激励又分为纯随机和促发随机。步进正弦激励可用于对结构的非线性考核。选取激励点时，结合“天宫一号”目标飞行器的有限元分析模型，在x、y、z三个方向各选取一激励点（y、x向激励点均选在结构位移响应最大点处，z向激励点因安装位置的局限选在目标飞行器的中部）。其激励点的位置应避免接近节点或节线处，并尽量让激励能量均布到结构上，既保证能充分激起结构响应又不引起局部过载。

1.4 边界连接刚度检查

边界连接刚度的不同会引起共振频率与振型的明显改变[3]。模态试验正式开始之前，对“天宫一号”目标飞行器与连接面的连接刚度进行了检查。先接通模态系统，然后对固支边界进行振动激励，获取结构连接面的频响函数（FRF）（见图2）。由图2中连接面上测点的频响函数可以看出，连接面处没有任何响应，表明该航天器系统固支边界具备理想的刚度，可以进行正式的模态试验。

图2 连接面频响函数Fig.2 FRF of the boundary

1.5 单点激励试验

1.5.1y向激励试验

用y向激振器激励目标飞行器，获取结构各测点的频响函数。综合各测点频响函数得到了结构的频响函数之和（见图 3）。对结构进行模态分析，得到了目标飞行器y向一阶、二阶、三阶弯曲及z向一阶弯曲和整器的扭转模态参数。

图3 y向单点随机激励下结构频响函数之和Fig.3 Sum of the FRF by the single-input random excitation in y direction

1.5.2z向激励试验用z向激振器激励目标飞行器，获取结构各测点的频响函数，综合后得到了结构的频响函数之和（见图4）。对结构进行模态分析，得到了z向单点激励下结构的模态参数。相对于y向激励，z向激励仅能辨识出z向二阶、三阶弯曲模态参数，得到的z向一阶模态噪声干扰大。因z向激励时，激励点选在航天器中部，输入能量不能充分传递到航天器上部，导致x向、z向模态参数没有被充分激励出来。

图4 z向单点随机激励下结构频响函数之和Fig.4 Sum of the FRF by the single-input random excitation in z direction

1.5.3x向激励试验用x向激振器激励目标飞行器，获取结构各测点的频响函数，综合各测点频响函数得到了结构的频响函数之和（见图 5）。对结构进行模态分析，得到了x向单点激励下结构的模态参数。x向激励时，能得到结构的x向一阶弯曲模态参数，而无法有效得出y向和z向模态参数及整器的模态参数。

图5 x向单点随机激励下结构频响函数之和Fig.5 The sum of the FRF by the single-input random excitation in x direction

1.6 x、y、z三向正交多点激励试验

在x、y、z向各选取一个激励点进行正交纯随机激励，三个激励点位置如图6中蓝线所示，获取结构各测点的频响函数（FRF）。综合各测点频响函数得到了结构的频响函数之和（见图 7），对目标飞行器进行模态分析，得出了目标飞行器的x、y、z三个方向一阶、二阶、三阶弯曲模态和整器的扭转模态。

图6 x、y、z三向正交激励点位置示意图Fig.6 Schematic diagram of the multi-input EMA

图7 x、y、z三向正交激励各响应点频响函数之和Fig.7 Sum of the FRF by the multi-input random excitation in three directions

1.7 单点、多点激励方式的比较

从单点、多点激励试验中激励点的位置及结构频响函数之和可以看出：

1）单点激励均不能将目标飞行器完整的结构模态特性激励出来，而多点激励可以将结构的模态有效激励出来；

2）多点激励将激励能量完整地分配到结构，尤其适合于大型结构的模态试验；

3）多点激励适用于模态频率耦合紧密的结构。

“天宫一号”目标飞行器因为质量大，导致单点激励时输入能量不均匀，靠近激励点位置的响应大，远离激励点位置的响应小，因而结构模态参数识别精度差。该试验中正交多点激励（x、y、z向）可以克服单点激励输入能量不均的影响。

2 模态参数辨识结果与结构非线性验证

2.1 模态参数辨识结果

“天宫一号”目标飞行器初样整体质心坐标位置为：x= 4 026 mm，y= 0 mm，z= 10 mm。由质心坐标可以看出，该航天器近似于一个对称结构。横向（y、z向）整体一阶、二阶结构频率耦合紧密，需要截取很窄的频带对结构进行模态参数识别。相对于时域法，频域法（POLYMAX）可以很好地满足对窄频带模态参数的提取，因此目标飞行器模态参数的提取采用了频域法。模态试验提取的频率及振型描述见表1。各阶频率的模态置信准则（即MAC值）见图8。由图8中的MAC值可以看出，除个别频率处有轻度耦合外，其他模态均为独立模态。

表1 “天宫一号”目标飞行器模态参数及振型描述Table 1 The modal data and mode shapes of Tiangong-1 target spacecraft

“天宫一号”目标飞行器初样z、y、x三个方向一阶弯曲模态频率的试验值及有限元计算值见表2。模态试验边界刚度及有限元计算参数设置的不同导致了试验结果和计算结果有一定的偏差。

图8 随机激励频域法模态参数识别MAC值Fig.8 MAC of modal parameter identification by frequency domain analysis

表2 试验模态及有限元计算模态对比Table 2 Comparison of modal frequency between test data and finite element data

2.2 结构非线性验证

激振力的大小对于模态试验的结果有重要影响。在模态试验时，应确保所施加的激振力所激起的结构响应在线性范围内。分别用几种不同量级的激振力激励结构，测量该结构的传递函数可以表明结构的线性特性[3]。在“天宫一号”目标飞行器模态试验时，用步进正弦激励方式对结构的一阶模态频率进行了结构非线性验证，图9所示为30 N、50 N、70 N输入力激励下获取的频响函数，分别用红色曲线、蓝色曲线和绿色曲线表示。

由图9可以看出，在不同量级的步进正弦激励下，结构的一阶频率随着激振力的增大而有前漂（频率减小）的现象，表明结构存在着微小的非线性特性（最大非线性小于1.2%，由y向频率得出）。考虑到激励能量的不均匀性及数据采集系统的测量误差，“天宫一号”目标飞行器结构的非线性特性在试验激励力的量级范围内可以忽略不计。