飞行环境下航天器结构的模态分析技术

摘要

飞行环境下的卫星、火箭等航天器结构通常都处于变化非常复杂的工作环境之下,承受某种随机的环境激励,此时对航天器结构及其部件施加激励或对环境激励信号进行测量往往代价昂贵或者难以实现,因此传统模态测试技术和分析手段将面临极大的困难。工况模态分析技术能直接从结构运行时的响应数据中建立和辨识模态模型,更加符合实际工况,利用工况模态分析识别出的参数进行设备检测和结构优化时可以更加准确可靠的反映出系统工作时的状态。
　　 然而,在许多实际的工程应用中,如飞行器点火、火工品爆炸、分离或出水等情况,除了承受随机激励,还伴有脉冲激励等非稳态环境激励,因此无法直接应用工况模态分析技术。本文从上述背景出发,针对工况模态分析理论适用范围,实际航天器结构工况模态分析以及不同工况激励下的铝板试验等相关问题展开了研究,论文的主要研究内容包括以下几个方面:
　　 1.在理论上,系统地回顾了工况模态分析的发展过程,详细推导了工况模态分析的理论基础,设计了矩形铝板试验,针对白噪声激励下的铝板试验数据,通过辨识结果与传统模态分析的结果进行对比,验证了白噪声激励下工况模态分析理论的正确性以及工程适用性。
　　 2.针对航天航空工程领域中常见的一类缓慢时变过程,引入了“短时时不变假设”,从而将工况模态分析技术应用于工况下的航天器结构。将上述分析方法成功应用于两组工程仿真数据的识别,解决了工程实际问题,取得了满意的效果,验证了工况模态分析在工程应用中的有效性,为今后进一步展开更广泛的工程应用奠定了坚实的基础。
　　 3.本文首次提出并证明了结构承受多点复杂不规则冲击及白噪声复合环境激励下的工况模态分析理论。定义了关于衰减信号的“相关函数”及其数值算法,对白噪声以及复杂不规则冲击等联合激励环境下的工况模态分析算法进行了详细的理论推导,证明NExT理论也可以适用于这些非稳态激励的情况,并通过算例和相关实验验证了本文提出理论的正确性。拓展了工况模态参数辨识理论,扩展了工况模态分析的应用范围。