[發明專利]一種航天器正弦掃頻振動疲勞失效分析方法

有效

• 申請號: 201611193093.X
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106768760B
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 張玉梅;劉紹奎
• 申請（專利權）人: 航天東方紅衛星有限公司
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

一種航天器正弦掃頻振動疲勞失效分析方法，首先根據航天器結構，建立航天器的有限元模型，根據正弦掃頻振動試驗中航天器與夾具的連接方式，對其相連接的部分進行固定約束，并施加正弦掃頻振動條件作為載荷，進行振動頻域響應分析，得到加速度和應力頻域響應結果，然后根據正弦掃頻振動控制框方法，將應力頻域響應轉化為應力時域響應幅值以及循環次數，最后根據應力時域響應幅值和循環次數，結合首次穿越失效以及疲勞損傷分析方法Miner準則，進行振動失效分析。本發明克服了現有技術在試驗前無法給出損傷分析，更多依賴于經驗數據的缺陷，通過將頻域分析結果轉化為時域分析結果，可以直接用于振動失效分析，具有很好的使用價值。

技術領域

本發明涉及一種航天器正弦掃頻振動疲勞失效分析方法，特別是航天器結構失效，屬于飛行器設計技術領域。

背景技術

馬興瑞、韓增堯等著《衛星與運載火箭力學環境分析方法及試驗技術》中提到，航天器正弦振動環境屬于低頻瞬態環境，頻率范圍一般介于0～100Hz，主要由火箭發動機推力脈動、點火、關機、級間分離等事件引起。另外，在地面運輸、裝卸以及返回航天器在返回制動、開啟降落傘、著陸等事件也產生低頻瞬態環境。通常針對發射過程中，航天器經受最嚴酷的幾個特征狀態下(起飛，最大動壓，助推級分離前，助推級分離后，一、二級分離前，一、二級分離后)，需要聯合運載火箭和衛星進行動態星箭載荷耦合分析，也稱星箭耦合分析。航天器正弦掃頻振動試驗時間歷程比較短暫，而且航天器經歷的發射段的振動試驗歷程較短，因此通常不分析其疲勞壽命。

GJB1027A-2005《運載器、上面級和航天器試驗要求》和HDBK-7005《Dynamicenvironmental criteria》中提到，目前的分析方法是根據線性振動原理，利用有限元分析頻域內加速度響應，根據以往振動試驗經驗判斷是否失效，結合正弦掃頻振動前后特征級掃頻結果對比，頻率漂移不超過5％為合格。但這種分析方法缺乏定量分析，沒有損傷概念，并且在試驗之前無法給出預示的損傷分析，更多依賴于經驗數據。

根據劉旭華的《結構動力可靠性研究》和倪侃、張圣坤的《疲勞可靠性二維統計Miner準則》，現有的振動失效分為兩種方法，首次穿越失效和疲勞失效，上述兩種失效方法都是基于時域的振動響應幅值和循環次數來進行分析。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種航天器正弦掃頻振動疲勞失效分析方法，解決航天器結構正弦掃頻振動疲勞損傷分析問題，可以用于分析航天器正弦掃頻振動的疲勞損傷和失效。

本發明的技術解決方案是：一種航天器正弦掃頻振動疲勞失效分析方法，包括如下步驟：

(1)根據航天器結構，建立航天器的有限元模型，根據正弦掃頻振動試驗中航天器與夾具的連接方式，對其相連接的部分進行固定約束，并施加正弦掃頻振動條件作為載荷，進行振動頻域響應分析，得到加速度和應力頻域響應結果；

(2)根據正弦掃頻振動控制方法，將應力頻域響應轉化為應力時域響應幅值以及循環次數；

(3)根據應力時域響應幅值和循環次數，結合首次穿越失效以及疲勞損傷分析方法Miner準則，進行振動失效分析。

所述的將應力頻域響應轉化為應力時域響應幅值以及循環次數的方法包括如下步驟：

(1)根據應力頻域響應結果得到應力時域響應幅值；

(2)計算得到頻率處循環次數n為

其中，f₁、f₂為掃描倍頻程過程中任意兩個頻率點，t₁為掃描至f₁時間，t₂為掃描至f₂時間，s為倍頻程掃描速率，f₀為掃描開始頻率。

所述的s為4.33oct/min。