航天器运动部件振动特性与故障诊断方法研究

摘要

航天器结构复杂，运行环境恶劣。由运动部件故障导致的卫星功能失效是当前国内外气象卫星十分突出的问题。因此，掌握其振动特性，对运动部件可能存在的隐患实施有效检测和故障诊断，对于早期发现故障，避免航天事故，延长航天器使用寿命，提高航天器的可靠性具有重要意义。本文结合实际科研课题开展了以下主要工作：运用经验模态分解(EMD)方法，对航天器运动部件中的电机、齿轮箱和波纹管振动信号进行分析处理，提取了失步故障特征。利用Pro/E软件和有限元软件ABAQUS对航天器螺旋副运动部件的失步故障、裂纹故障以及两种故障并存进行机理仿真分析，得到了螺旋副的故障动力学特性。建立了航天器运动部件转子裂纹和碰摩故障模型，基于多模型估计原理和卡尔曼滤波器，建立了转子故障模型估计器，实现了对转子故障的准确诊断，并实验验证了多模型估计方法在故障早期预示方面具有较强的优势。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 故障信息处理技术的研究现状概述

1.2.1 傅立叶变换

1.2.2 功率谱估计

1.2.3 时频分析

1.2.4 小波分析

1.2.5 经验模态分解

1.3 故障机理研究方法研究现状概述

1.4 航天器故障诊断技术发展概况

1.4.1 国内外航天器故障诊断技术现状及发展历程

1.4.2 航天器诊断推理的主要方法

1.5 本文研究内容

第二章 航天器运动部件EMD 故障特征提取

2.1 经验模态分解原理

2.1.1 经验模态分解

2.1.2 基于EMD 的希尔伯特变换

2.2 各运动部件的EMD 故障分析

2.2.1 电机

2.2.2 齿轮箱

2.2.3 波纹管

2.3 EMD 分析的优势

2.3.1 EMD 分析的特点

2.3.2 一般功率谱分析、小波分析和EMD 分析的对比

2.4 本章小结

第三章 运动部件故障机理的有限元仿真分析

3.1 有限元原理

3.2 失步故障分析

3.2.1 前处理

3.2.2 加载及求解

3.2.3 时域分析

3.2.4 频域分析

3.2.5 振型分析

3.3 裂纹故障分析

3.3.1 加载及求解

3.3.2 时域分析

3.3.3 频域分析

3.3.4 振型分析

3.4 失步和裂纹故障分析

3.4.1 加载及求解

3.4.2 时域分析

3.4.3 频域分析

3.5 本章小结

第四章 基于多模型估计的转子故障诊断方法

4.1 多模型估计原理

4.1.1 多模型估计基本原理

4.1.2 多模型自适应卡尔曼滤波器

4.2 裂纹故障分析

4.2.1 转子模型

4.2.2 仿真分析

4.3 碰摩故障分析

4.3.1 转子模型

4.3.2 仿真分析

4.4 本章小结

第五章 多模型估计诊断方法的验证实验

5.1 验证实验

5.2 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文