航天器结构随机振动响应等效为准静态载荷的方法研究

论文摘要

随着我国航天事业的快速发展,对航天器结构设计部门提出了“快、好、省”的要求,以尽量缩短研制周期、减少航天器质量、提高航天器可靠性。载荷对航天器结构可靠性设计最为重要,在发射阶段航天器结构受到的载荷最为严重,随机振动载荷是该阶段航天器受到的主要载荷。如何对航天器发射阶段随机振动载荷进行处理来进行处理来指导指标分配,一直是亟待攻克的技术难题,其中关键技术就是将其等效化为准静态载荷。本文从基于单自由度结构随机振动响应等效的Miles公式出发,结合模态分析中的模态参与质量分析技术,对Miles公式进行改进,使其能够适用于多自由度复杂结构,并且尽量反映结构在整带宽随机载荷激励下的响应。以某型号卫星主要结构为对象采用有限元分析法求解模型的各阶模态参与质量,进而应用改进Miles公式进行随机振动响应准静态载荷等效。为验证等效方法的正确性,将某型号卫星等效的准静态载荷结果和有限元法与统计能量分析法(SEA)得出的全频段响应预示进行对比分析。分析某型号卫星的主要结构,确定有限元单元类型,利用1/4波动理论确立网格的大小,建立某型号卫星的有限元模型。利用有限元分析软件MSC.Nastran进行随机振动响应分析,得到某型号卫星模型的低频段随机振动激励下的加速度响应。研究高频段随机振动结构响应的统计能量分析法,建立某型号卫星的SEA模型,确定参数后计算各子系统的内损耗因子、耦合损耗因子及模态密度,利用通用统计能量分析商用软件AutoSEA对该型号卫星高频段随机振动结构响应进行预示。弥补了有限元法分析高频随机振动结构响应时对结构细节敏感问题。通过结果对比证明,本文提出的等效方法对航天器设计初期阶段的随机振动载荷响应进行等效和预示具有一定参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 随机振动理论发展概况
• 1.2.2 航天器结构随机振动响应预示技术研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 随机振动响应等效理论及其改进
• 2.1 航天器随机振动激励载荷
• 2.2 随机振动激励理论
• 2.2.1 随机过程的描述
• 2.2.2 随机激励的响应
• 2.3 单自由度随机振动激励模型
• 2.3.1 单自由度模型数值结果
• 2.3.2 数值结果与等效结果对比
• 2.4 Miles公式的改进
• 2.5 两自由度系统的随机振动响应及等效
• 2.5.1 随机振动响应的模态叠加法
• 2.5.2 两自由度系统的随机振动响应结果及等效对比
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于有限元法的低频段随机振动结构响应分析
• 3.1 有限元分析软件MSC.Nastran介绍
• 3.2 某型号卫星结构分析及其建模
• 3.2.1 某型号卫星结构分析
• 3.2.2 某型号卫星模型单元选择
• 3.2.3 建立某型号卫星的有限元模型
• 3.3 某型号卫星的模态及模态参与质量分析
• 3.3.1 模态分析方法
• 3.3.2 模态参与质量分析
• 3.3.3 某型号卫星模态分析及模态参与质量结果
• 3.4 某型号卫星模型的随机振动响应分析
• 3.4.1 频率响应分析
• 3.4.2 随机振动有限元分析
• 3.4.3 某型号卫星模型低频段随机振动响应分析结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于统计能量分析法的高频随机振动结构响应分析
• 4.1 统计能量法基本理论
• 4.2 某型号卫星统计能量分析法的基本参数确定
• 4.2.1 模态密度估算
• 4.2.2 内损耗因子确定
• 4.2.3 耦合损耗因子估算
• 4.3 子系统的平均动响应
• 4.4 利用AutoSEA建立某型号卫星模型及分析
• 4.4.1 利用AutoSEA建立某型号卫星模型
• 4.4.2 某型号卫星模型高频段随机振动响应分析结果
• 4.5 某型号卫星全频段仿真结果与改进等效结果对比
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢