一種基於模態試驗的星載天線結構損傷快速排查方法
2023-06-27 10:08:41
專利名稱：一種基於模態試驗的星載天線結構損傷快速排查方法
技術領域：
本發明涉及一種星載天線損傷排查方法，主要基於模態試驗技術進行星載天線結構損傷模式判斷、位置確定等，屬於星載天線結構測試技術領域。
背景技術：
模態是結構的固有屬性，每一個模態具有特定的模態頻率、阻尼比、模態振型、模態質量、模態剛度等。這些模態參數可以由試驗或者計算得到，這樣一個試驗或計算的過程稱之為模態分析。完整的模態分析法是通過一定的激勵、數據採集方法，得到結構內部系統與輸入、輸出之間的關係。通過對試驗數據進行分析，將結構各階次模態頻率剝離出來，同時得到各頻率對應振型、阻尼比等結構系統的模態特徵參數；利用這些參數，修正數學模型，通過對修正後的數學模型進行模態計算即可全面掌握了解該結構系統的模態特性。·
一旦結構發生損壞，其模態特性必然發生變化。因此，結構模態特性變化是星載天線結構內部結構出現損傷的重要特徵之一。通過檢測出現損傷前後星載天線結構模態特性的變化趨勢，可以診斷星載天線結構損傷產生的位置、損傷形式及損壞程度等；監測修復前後星載天線結構的模態特性變化，可以判斷星載天線結構修復的效果。因此，模態參數可以作為結構損傷診斷與排查的標識量之一。星載天線作為衛星有效載荷的主要結構之一，在發射使用之前需要經歷大量、嚴苛的力學環境試驗，以保證星載天線結構的可靠性。通過這些試驗可以暴露因結構設計、製造、材料、工藝等引起的星載天線結構潛在損傷。如果星載天線結構在試驗後出現損傷，必須儘快排查損傷原因和損傷位置，並及時修復進行再試驗。星載天線結構損傷的形式大致可以歸納為裂紋、脫膠、局部斷裂等，有些損傷形式有些不易察覺，目測難以發現，但會對星載天線結構的正常使用留下隱患，必須定位、修復。基於模態分析的結構損傷快速排查方法能有效解決此類問題。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種快速、簡單、易於量化、成本較低的星載天線結構損傷快速排查方法。本發明的技術解決方案是一種基於模態試驗的星載天線結構損傷快速排查方法，實現步驟如下(I)在振動試驗前，對星載天線結構進行模態試驗，檢測星載天線結構的基本模態參數；所述星載天線結構的基本模態參數，包括模態頻率和模態振形；(2)在振動試驗後再次進行模態試驗，檢測該星載天線結構模態參數；(3)對比振動試驗前後星載天線結構模態參數的變化，判斷該星載天線結構是否出現損傷及損傷位置、損傷形式和損壞程度；所述損傷形式分為裂紋、開膠、局部開裂三類，所述損傷位置是指損傷發生的具體位置，位於連接位置、集中質量位置；所述損傷程度與損傷形式對應，分為輕微、中等、嚴重三種程度；
(4)如果星載天線結構出現損傷，則需要對星載天線結構進行修復；經過修復後，通過檢測修復前後的星載天線結構基本模態參數變化，判斷該星載天線結構修復是否有效。所述步驟(I)及步驟(2)中均通過快速模態試驗系統對星載天線結構進行模態試驗；所述快速模態試驗系統由可攜式模態分析儀、模態力錘、ICP型加速度傳感器(Integrated Circuits Piezoelectric,內置集成電路的壓電傳感器)、模態分析系統組成；在天線結構的各測點上設置加速度測點和力錘激勵點；採用模態力錘對天線結構進行激勵作為激勵信號，同時利用加速度傳感器採集天線結構上各測點的響應作為輸出信號；利用可攜式模態分析儀同時採集各測點的激勵信號和輸出信號並計算響應信號與激勵點激勵信號之間的頻率響應函數(FRF);最後，將這些FRF送入模態分析系統進行分析，得到天線結構的模態參數。所述步驟(4)若該基本模態參數與振動試驗前測得模態基本參數一致性較好，即模態頻率誤差在5%以內，則認為修復有效。 本發明與現有技術相比的優點在於(I)本發明基於模態分析的結構損傷快速排查方法利用模態分析理論對星載天線結構進行振動前後模態試驗，星載天線結構的結構特性與模態參數緊密相關，一一對應，即使當星載天線結構發生微小變化時，如輕微裂紋、局部脫膠等，模態參數也會發生相應的變化，如模態頻率發生漂移，模態振型異常等，通過監測星載天線結構前後模態參數，就能準確把握星載天線結構試驗前後模態特性的變化，快速準確定位損傷位置及損傷機理，這種基於模態試驗的快速損傷排查方法，與傳統的人力目測、紅外檢測、超聲波檢測方法相比，具有快速、簡單、易於量化、成本較低等優點，可以廣泛應用於星載天線結構以及各種空間結構上，從而提高損傷定位及排查的效率和準確性，在星載天線結構領域，具有很強的實用性和市場競爭力。(2)本發明很好地解決了星載天線結構損傷診斷不易量化的問題，採用搭建快速模態試驗系統檢測星載天線結構模態特性的辦法，將結構的損傷模式以模態特性變化的趨勢的形式表現出來，從而實現損傷模式的量化。(3)在振動試驗前後或修復前後僅利用可攜式模態分析儀、模態力錘、ICP型加速度傳感器等搭建快速模態試驗系統，採用錘擊法進行快速模態試驗；利用最少的時間、最小的代價檢測星載天線結構的基本模態參數，因此成本低，易於實現。
圖I為本發明中使用的快速模態試驗系統結構示意圖；圖2為本發明實施例某衛星S/L/C天線結構示意圖；圖3為本發明實施例某衛星S/L/C天線有限元模型；圖4為本發明實施例某衛星S/L/C天線一階模態振型；圖5為本發明實施例某衛星S/L/C天線二階模態振型；圖6為本發明實施例試驗前一階模態振型；圖7為本發明實施例試驗前二階模態振型；圖8為本發明實施例試驗後一階模態振型；
圖9為本發明實施例試驗後二階模態振型圖10為本發明實施例損傷修補後一階模態振型；圖11為本發明實施例損傷修補後二階模態振型。
具體實施例方式本發明首先利用成熟的商業有限元軟體，對星載天線結構進行模態分析，從理論上初步估計其模態參數；然後，根據模態分析結果，布置傳感器測點，選取合適的傳感器、測試設備等，搭建快速模態試驗系統；在振動試驗前檢測星載天線結構的模態特性；最後，在振動試驗後再次檢測星載天線結構的模態特性。如果星載天線結構在試驗前後模態特性發生變化，可以通過模態特性的變化趨勢判斷星載天線結構是否發生損傷以及發生損傷產生的位置、損傷形式、損壞程度等。星載天線結構經過修復後，通過檢測修復前後的模態特性變化，判斷星載天線結構修復的效果。
快速模態試驗系統的工作過程如下首先按圖I所示搭建系統，在天線產品上設置加速度測點和力錘激勵點；一般採用可攜式模態分析儀，採用簡單易用的錘擊法進行快速模態試驗；其次，採用模態力錘對天線結構進行激勵作為激勵信號，同時利用加速度傳感器採集天線結構上各測點的響應作為輸出信號；利用可攜式模態分析儀同時採集各測點的激勵信號和輸出信號並計算響應信號與激勵點激勵信號之間的頻率響應函數(FRF);最後，將這些FRF調入模態分析系統進行分析，得到天線結構的模態參數。結合模態分析理論，將模態參數的變化與天線結構損傷的位置、機理對應起來，如表I所示，給出了模態參數變化與結構損傷之間的關係。依據表I中模態頻率的變化趨勢判斷星載天線結構是否出現損傷及損傷形式、損傷程度；依據表I中模態振形變化判斷星載天線結構出現損傷的位置。表I基本模態參數與結構損傷的關係表
損傷形式I
裂紋脫膠局部開裂
基本參數\\^^
模態頻率下降5~10% 下降10 15% 下降超過15%
模態振型略微變化有變化明顯變化天線結構出現損傷也可能是多種損傷同時出現，這就需要根據具體情況，綜合考慮模態參數的變化情況，反向推導損傷位置及機理。以下以某衛星S/L/C天線損傷排查為例，描述該方法的具體實施方式
。(I)計算模態結果在振動試驗前,利用成熟的MSC. Nastran有限元分析軟體建立了 S/L/C天線結構的有限元模型(如圖3)，計算了其結構模態特性，得到模態結果(如表2所示)。表2有限元計算得到模態參數表
權利要求
1.一種基於模態試驗的星載天線結構損傷快速排查方法，其特徵在於實現步驟如下 I)在振動試驗前，對星載天線結構進行模態試驗，檢測星載天線結構的基本模態參數；所述星載天線結構的基本模態參數，包括模態頻率和模態振形； (2)在振動試驗後再次進行模態試驗，檢測該星載天線結構模態參數； (3)對比振動試驗前後星載天線結構模態參數的變化，判斷該星載天線結構是否出現損傷及損傷位置、損傷形式和損壞程度；所述損傷形式分為裂紋、開膠、局部開裂三類，所述損傷位置是指損傷發生的具體位置，位於連接位置、集中質量位置；所述損傷程度與損傷形式對應，分為輕微、中等、嚴重三種程度； (4)如果星載天線結構出現損傷，則需要對星載天線結構進行修復；經過修復後，通過檢測修復前後的星載天線結構基本模態參數變化，判斷該星載天線結構修復是否有效。
2.根據權利要求I所述的基於模態試驗的星載天線結構損傷快速排查方法，其特徵在於所述步驟(I)及步驟(2)中均通過快速模態試驗系統對星載天線結構進行模態試驗；所述快速模態試驗系統由可攜式模態分析儀、模態力錘、加速度傳感器、模態分析系統組成；在天線結構的各測點上設置加速度測點和力錘激勵點；採用模態力錘對天線結構進行激勵作為激勵信號，同時利用加速度傳感器採集天線結構上各測點的響應作為輸出信號；利用可攜式模態分析儀同時採集各測點的激勵信號和輸出信號並計算響應信號與激勵點激勵信號之間的頻率響應函數(FRF);最後，將這些FRF送入模態分析系統進行分析，得到天線結構的模態參數。
3.根據權利要求I所述的基於模態試驗的星載天線結構損傷快速排查方法，其特徵在於所述步驟(4)若該基本模態參數與振動試驗前測得模態基本參數一致性較好，即模態頻率誤差在5%以內，則認為修復有效。
全文摘要
一種基於模態試驗的星載天線結構損傷快速排查方法，對星載天線結構進行模態分析，初步估計其模態參數；在振動試驗前搭建快速模態試驗系統，檢測該結構的模態特性；最後，在振動試驗後再次檢測該結構的模態特性。通過模態特性的變化趨勢判斷該結構是否出現損傷以及發生損傷的位置、損傷形式、損傷程度等。出現損傷的星載天線結構經過修復後，通過檢測修復前後的模態特性變化，判斷該結構修復的效果。本發明具有快速、簡單、易於量化、成本較低等優點，可以廣泛應用於星載天線結構以及各種空間結構上，在星載天線結構領域，具有很強的實用性和市場競爭力。
文檔編號G01M7/02GK102901611SQ20121037804
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者方永剛, 薛永剛, 高博, 於新戰, 牛寶華, 李濤, 楊俊良, 梁月華 申請人:西安空間無線電技術研究所