Разработка расчетно-экспериментального метода модального анализа крупногабаритных трансформируемых космических конструкций
Автор: В.А. Бернс, В.Е. Левин, Д.А. Красноруцкий, Д.А. Маринин, Е.П. Жуков, В.В. Маленкова, П.А. Лакиза
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 3, 2018 года.
Бесплатный доступ
Разрабатываемый расчетно-экспериментальный метод модального анализа крупногабаритных трансформируемых космических конструкций заключается в разделении конструкции на составные части, проведении модальных испытаний этих частей, коррекции математических моделей составных частей по результатам испытаний, синтезе математических моделей составных частей для построения глобальной модели всей конструкции, определении динамических характеристик всей конструкции по глобальной математической модели. Изложен способ определения параметров собственных тонов колебаний составных частей конструкций в модальных испытаниях, обладающий низкой чувствительностью к погрешностям измерений и взаимному влиянию тонов с близкими собственными частотами. Эффективность этого способа проиллюстрирована результатами испытаний самолетов и агрегата космического аппарата. Для коррекции математических моделей составных частей матрицы жесткости и инерции подвергаются процедуре редуцирования. Глобальная математическая модель конструкции является результатом синтеза скорректированных редуцированных матриц инерции и жесткости составных частей. Целесообразность решения проблемы определения модальных характеристик трансформируемых космических конструкций по результатам испытаний составных частей объясняется их большими габаритами и сложностью в собранном виде. Кроме того, крупногабаритные космические конструкции имеют, как правило, низкие – до одной десятой доли герца – собственные частоты. Экспериментальный модальный анализ этих конструкций сопряжен с серьезными трудностями. В качестве примера реализации разрабатываемого метода приведены результаты модального анализа макета зонтичной антенны космического аппарата.
Крупногабаритные трансформируемые космические конструкции, составные части конструкций, модальные испытания, математическая модель, коррекция математических моделей, синтез математических моделей, модальные характеристики
Короткий адрес: https://sciup.org/14114735
IDR: 14114735 | УДК: 629.7.018.4:620.178.3 | DOI: 10.26732/2618-7957-2018-3-125-133
Development of a calculation and experimental method for modal analysis of large transformable space structures
The developed calculation and experimental method for modal analysis of large transformable space structures consists in dividing the structure into component parts, modal testing of these parts, correction of mathematical models of component parts based on test results, synthesis of mathematical models of components for constructing a global model of the entire structure, determination of the dynamic characteristics of the entire structure by the global mathematical model. The method for determining the parameters of the structures component parts eigentones in modal tests is described, which has a low sensitivity to measurement errors and the mutual influence of tones with close eigenfrequencies. The effectiveness of this method is illustrated by the results of testing of aircrafts and the spacecraft unit. To correct the mathematical models of the components, the stiffness and inertia matrices undergo a reduction procedure. The structure global mathematical model is the result of the synthesis of the corrected reduced inertia and stiffness matrices of the component parts. It is reasonable to solve the problem of determining the modal characteristics of the transformable space structures by the results of the components testing, owing to their large dimensions and complexity in the assembled form. In addition, large space structures have, as a rule, low eigenfrequencies – up to a tenth of a hertz. Experimental modal analysis of such structures comes with serious difficulties. As an implementation example of the method being developed, the results of the modal analysis of the spacecraft umbrella antenna model are presented.
Список литературы Разработка расчетно-экспериментального метода модального анализа крупногабаритных трансформируемых космических конструкций
- Межин В. С., Обухов В. В. Практика применения модальных испытаний для целей верификации конечно-элементных моделей конструкции изделий ракетно-космической техники // Космическая техника и технологии. 2014. № 1 (4). С. 86–91.
- Зимин В. Н. Экспериментальное определение динамических характеристик крупногабаритных трансформируемых космических конструкций // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2011. № 1. С. 47–56.
- Бернс В. А., Лысенко Е. А. Проблемы экспериментального модального анализа при возбуждении конструкции ограниченным числом сил // Научный вестник НГТУ. 2013. №1 (50). С. 105–111.
- Исследования влияния воздушной среды на динамические характеристики элемента солнечной батареи / В. А. Бернс, В. Н. Лушин, Д. А. Маринин, О. Д. Морозов, А. В. Долгополов // Научный вестник НГТУ. 2014. № 1 (54). С. 159–164.
- Хейлен В., Ламменс С., Сас П. Модальный анализ: теория и испытания. М. : ООО «Новатест», 2010. 319 с.
- Жаров Е. А., Смыслов В. И. Точность определения колебательных характеристик упругой конструкции при резонансных испытаниях с многоточечным возбуждением // Уч. записки ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского. 1976. Т. 7, № 5. С. 88–97.
- Бернс В. А. Погрешности определения характеристик собственных тонов при близких собственных частотах // Контроль, диагностика. 2011. № 3 (153). С. 12–16.
- Бернс В. А. Оценка точности определения характеристик собственных тонов при наличии случайных ошибок в экспериментальных данных // Вестник СибГАУ. 2010. № 5 (31). С. 208–212.
- Влияние системы упругого вывешивания на точность результатов модальных испытаний летательных аппаратов / В. А. Бернс, А. В. Долгополов, Е. П. Жуков, Д. А. Маринин // Вестник СГАУ им. С. П. Королева. 2016. Т. 15, № 1. С. 18–27.
- Экспериментальный модальный анализ летательных аппаратов на основе монофазных колебаний / В. А. Бернс, Е. П. Жуков, Д. А. Маринин, В. В. Маленкова // Известия Самарского научного центра РАН. 2018. Т. 20, № 4. С. 43–54.
- Jang J., Smyth A. Model updating of a full-scale FE model with nonlinear constraint equations and sensitivity-based cluster analysis for updating parameters // Mechanical Systems and Signal Processing, 2017, no. 83, pp. 337–355.
- Bakir P., Reynders E., Roeck B. Sensitivity-based finite element model updating using constrained optimization with a trust region algorithm // Journal of Sound and Vibration, 2007, no. 305, pp. 211–225.
- Element-by-element model updating of large-scale structures based on component mode synthesis method / J. Yu, Y. Xia, W Lin, X Zhou // Journal of Sound and Vibration, 2016, no. 362, pp. 72–84.
- Sarsri D., Azrar L. Dynamic analysis of large structures with uncertain parameters based on coupling component mode synthesis and perturbation method // Ain Shams Engineering Journal, 2016, no. 7, pp. 371–381.
- A model-updating approach based on the component mode synthesis method and perturbation analysis / T. Wang, H. He, W. Yan, G.P. Chen // Journal of Sound and Vibration, 2018, no. 433, pp. 349–365.
- Analysis of dynamic characteristics of the rigid body/elastic body coupling of airbreathing hypersonic vehicles / Z. Dong, T. Shuo, Z. Qiang, W. Rong // Aerospace Science and Technology, 2016, no. 48, pp. 328–341.
- Reduction and coupling of substructures via Gram-Schmidt Interface modes / G. Battiato, C. M. Firrone, T. M. Berruti, B. I. Epureanu // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2018, vol. 336, pp. 187–212.
- Reducing the impact of measurement errors in FRF-based substructure decoupling using a modal model / P. Peeters, S. Manzato, T. Tamarozzi, W. Desmet // Mechanical Systems and Signal Processing, 2018, no. 99, pp. 384–402.
- Neural-network-based sliding-mode control for multiple rigid-body attitude tracking with inertial information completely unknown / M. Xi, S. Fuchun, L. Hongbo, H. Bin // Information Sciences, 2017, no. 400, pp. 91–104.
- Rigid body stiffness matrix for identification of inertia properties from output-only data / A. Malekjafarian, M. R. Ashory, M. M. Khatibi, M. Saberlatibari // European Journal of Mechanics – A/Solids, 2016, no. 59, pp. 85–94.
- D'Ambrogio W., Fregolent F. Replacement of unobservable coupling DoFs in substructure decoupling // Mechanical Systems and Signal Processing, 2017, no. 95, pp. 380–396.
- D'Ambrogio W., Fregolent F. Inverse dynamic substructuring using the direct hybrid assembly in the frequency domain // Mechanical Systems and Signal Processing, 2014, no. 45, pp. 360–377.
- Allen M., Mayes R. Comparison of FRF and Modal Methods for Combining Experimental and Analytical Substructures // Journal of Sound and Vibration, 2008, pp. 310–324.
- Allen M., Mayes R., Bergman E. Experimental modal substructuring to couple and uncouple substructures with flexible fixtures and multi-point connections // Journal of Sound and Vibration, 2010, no. 329, pp. 4891–4906.
- Herting D. N. A general purpose, multi-stage, component modal synthesis method // Finite Elements in Analysis and Design, 1985, no. 1, pp. 153–164.
