航天器结构正弦振动、随机振动、噪声响应仿真分析

1.正弦振动分析2.随机振动分析3.噪声响应分析八、航天器结构仿真分析八、航天器结构仿真分析4.正弦振动分析正弦振动分析用来验证结构设计的合理性和优化设备布局，为正弦振动试验提供下凹依据等；直接频率响应分析和模态频率响应分析。前者直接对振动方程进行求解，耗时较长；后者采用模态叠加法，求解规模远小于直接频率响应分析，计算时间大大缩短。八、航天器结构仿真分析航天器结构运动方程对应的特征方程特征向量的线性组合：4.正弦振动分析八、航天器结构仿真分析解耦成独立的模态坐标下的单自由度方程：多自由度运动方程的解：激励力：4.正弦振动分析八、航天器结构仿真分析频响分析与模态分析模型保持一致外，模型质量分布与设备布局状态保持一致，正弦振动试验预示的有限元模型与试验技术状态保持一致；为能包络最恶劣设计状态，频响分析的整器有限元模型的质量特性应与技术要求规定的上限值保持一致；建模要求4.正弦振动分析建模要求—分析内容—结果评价八、航天器结构仿真分析距安装面质心较高或偏心严重的带有支架设备（如动量轮、星敏感器），应建立带支架单机有限元模型，必要时应经试验验证与修正；大型部件（如天线、相机、太阳翼）可将其进行缩聚，再与航天器本体有限元模型连接后进行正弦振动分析，缩聚时模态截断频率不应低于激励频率上限的2倍；前几阶主要模态响应贡献较大，模态求解时的截止频率应高于激励频率上限，不低于激励频率上限的1.5倍；4.正弦振动分析八、航天器结构仿真分析模态阻尼比一般根据试验数据或经验来确定，可根据正弦振动试验结果进行修正；航天器横向与纵向的模态临界阻尼比一般取值不同，在非主频处模态阻尼可根据试验结果取相对较小的数值。4.正弦振动分析八、航天器结构仿真分析1）设计阶段：获取所关注部位的加速度响应，判断结构动态放大特性，指导结构构型设计；获取所关注结构的应力、应变、力（弯矩），校核结构强度，指导结构设计；获取天线等部件安装处加速度响应和界面载荷，指导设备布局设计，并校核接口强度；分析内容4.正弦振动分析设计阶段和试验阶段！八、航天器结构仿真分析获取器箭连接点、主承力接头等关键界面载荷，指导接口设计与优化；获取多舱段航天器舱间界面加速度与载荷响应，作为单个舱段设计与试验的依据；根据加速度响应分析结果，确定航天器大尺寸结构板设计载荷，用于结构板强度设计与校核。4.正弦振动分析八、航天器结构仿真分析2）试验阶段：还应确定整器正弦振动试验下凹条件，上限和带谷宽度的确定考虑以下指导性原则：器箭界面、主传力接头载荷响应不超过准静态设计载荷作用下的对应载荷；天线等部件接口界面的载荷响应不超过单机设计载荷下的界面载荷或结构接口的承载能力。4.正弦振动分析八、航天器结构仿真分析对加速度、力及力矩、应力或应变、位移的响应结果进行评价，包括：评估天线、相机、太阳翼等主要部（组）件的加速度响应，验证是否与整器存在共振放大效应，是否超过组件级正弦振动环境条件；评估器箭接口、结构主承力接头、天线等部（组）件界面载荷响应，进行接口强度校核；结果评价4.正弦振动分析八、航天器结构仿真分析评估各向同性材料的应力或应变响应结果，进行强度校核；对于层合复合材料结构，建议提取响应载荷后，进行等效过载作用下的静力分析，再完成强度校核；评估关注点的位移响应结果，预估响应的动态包络。4.正弦振动分析八、航天器结构仿真分析5.随机振动分析随机振动状态无法用确定的函数来描述，每一次振动都不相同，只能以统计方式来处理；宽带随机振动为承受随机（不确定）载荷的确定性线性系统的平稳随机振动，特点是概率特性不随时间变化；随机振动激励为作用在航天器的器箭界面上的基础加速度。八、航天器结构仿真分析多自由度系统时域运动方程—施加基础加速度激励

的自由度—其余自由度5.随机振动分析八、航天器结构仿真分析—位移谱密度矩阵—激励力谱密度矩阵—传递函数矩阵5.随机振动分析八、航天器结构仿真分析

Miles公式适用于可简化为单自由度的系统，可用于结构初始设计阶段，快速预估随机振动引起的响应载荷。相对基础的均方根加速度响应：—单自由度系统的固有频率—固有频率处激励的功率谱密度—放大因子5.随机振动分析八、航天器结构仿真分析应用有限元模型进行随机振动分析，网格划分准则是每个波长内应有6到10个单元;采用足够多的模态阶数以获得收敛的响应结果;避免使用有限元模型去求解具有大量密集局部模态部件的响应，利用统计能量法分析此类部件通常更为高效;航天器系统级随机振动分析的边界条件与正弦振动分析一样，加速度激励施加于器箭界面。建模要求5.随机振动分析建模要求—分析内容—结果评价八、航天器结构仿真分析Nastran对随机振动分析是作为频率响应分析的后处理进行的。输入包括频率响应的输出、给定的激励谱密度，输出为响应的功率谱密度、均方根值等;随机振动响应结果符合正态分布，功率谱密度（PSD）实际上是随机变量的能量分布，均方根值

(RMS)是随机变量的标准方差。PSD：反应不同频率处的振动能量大小，功率谱密度曲线下的面积是随机变量总响应的方差值；RMS：将功率谱密度曲线下面积开根号即为均方根值。结果评价5.随机振动分析八、航天器结构仿真分析的物理意义：响应幅值在31.7％的时间段内超过

，也就是说，响应幅值在68.3％的时间段内不超过

；的物理意义：响应幅值在4.6％的时间段内超过

，响应幅值在27.1％的时间段内大于

而不超过；

的物理意义：响应幅值在0.27％的时间段内超过

，响应幅值在4.33％的时间段内大于

而不超过

；随机振动响应的最大响应幅值可以理解为三倍均方根值，因为在99.73％的时间内，响应的瞬态值位于

和

之间，基本覆盖了随机振动接近100％的时间。5.随机振动分析八、航天器结构仿真分析用3σ原则去校核强度，如不满足强度要求，必要时可将输入的加速度功率谱密度曲线在敏感频率处下凹;一般情况下应保证主结构在随机振动试验过程中的受力不超过准静态载荷下的受力。5.随机振动分析八、航天器结构仿真分析6.噪声响应分析火箭整流罩内部噪声具有随机和宽频的特征，可以激发起结构的多数模态参与振动，在某些频率会产生足够大的应力，导致结构破坏；噪声响应分析的目的：一是评价对噪声敏感结构的强度，二是预示航天器组件的随机振动环境；最恶劣的噪声环境通常发生在地面测试阶段，一般以运载提供的噪声环境试验条件作为激励进行响应分析。八、航天器结构仿真分析有限元／边界元法可以考虑线性声学范围内的所有耦合现象，而不考虑非线性现象；结构采用有限元法建模，而流体采用边界元法，此法可同时适用于空腔域和无限域；有限元和边界元模型的网格尺寸应该与声场的最小波长λ相匹配。有限元/边界元法（FEM/BEM）6.噪声响应分析有限元/边界元法（SYSNOISE）和统计能量法（VAOne）！八、航天器结构仿真分析统计能量法（SEA）统计能量法从统计的角度分析统计密集模态平均的振动能量传递水平；SEA可以用来预示结构在中高频的平均声振响应；SEA是将一个复杂结构系统划分成若干耦合的子系统；子系统可以理解为一组具有相似能量存储状态的模块，这些模块包含了相似类型的共振模态，能量通过弹性和惯性元储存，通过阻尼元耗散，还可以将能量传递到其他子系统中；6.噪声响应分析八、航天器结构仿真分析SEA分析过程就是根据系统的各种参数建立起各个子系统间能量流动的关系，最后导出能量平衡方程，通过求解能量平衡方程得到每个子系统上的能量，从而得到最后的振动响应。基本假设（1）子系统间的耦合是线性的、保守的；（2）能量流是在所研究频带内各相似共振模态之间流动的；（3）对于一个指定的子系统，振子群所受的宽带随机激励在统计上是无关的；（4）子系统的能量平均分配到频率带宽的所有共振模态上；（5）各子系统之间存在互易性；（6）任何两个子系统间的功率流正比于其间平均模态能量之差。6.噪声响应分析八、航天器结构仿真分析两个子系统组成的SEA模型：子系统间功率流动平衡方程：—分析带宽的中心频率—第个子系统的能量—第个子系统的模态密度—第个子系统的内损耗因子—耦合损耗因子—输入功率

统计能量法的主要未知量是每个子系统的时域平均能量，而不是有限元的节点位移!6.噪声响应分析八、航天器结构仿真分析N个子系统的功率流动平衡方程：—子系统的模态密度—子系统间的耦合损耗因子—子系统的内损耗因子求解联立方程，得到子系统上的能量，再把这些能量换算成相应的速度、位移、加速度及应变!6.噪声响应分析八、航天器结构仿真分析6.噪声响应分析模态密度对应存储能量的参数，通常指单位带宽内模态的个数；内损耗因子是SEA的另一个重要参数，不能通过理论方法得到，大都通过试验获得；八、航天器结构仿真分析6.噪声响应分析耦合损耗因子是SEA中最为重要的特有参数，耦合损耗因子体现两个子系统间的耦合程度大小；输入功率包括集中力激励源、集中力矩激励源和声场激励源等。八、航天器结构仿真分析6.噪声响应分析SEA具体实施步骤（1）将复杂结构划分为能量储存单元，即子系统划分；（2）确定能量传递路径；（3）写出每个子系统的功率流动方程；（4）计算所需输入功率、耦合损耗因子和模态密度；（5）建立总的功率平衡方程并求解；（6）将每个子系统的能量和所需的响应变量联系起来。八、航天器结构仿真分析方法比较有限元法是确定性的求解方法。在求解高频问题时，需要网格精细程度高、模型规模大，故求解时间长;结构的高阶模态参数对不确定的原始参数以及结构细节较为敏感，且结构细节不好确定，则有限元方法求解的精度大打折扣;统计能量分析方法在某种程度上忽略了复杂