一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法
2023-12-06 10:49:51 2
一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法
【專利摘要】本發明公開了一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法。現有運載火箭模態識別主要採用工程方法進行，對於具有複雜模態交聯特性的大型液體捆綁火箭，直接應用可能會帶來一定的誤差。本發明依據彈性振動理論，建立了模態質量與節點位移之間的關係式，提出了運載火箭複雜模態判別依據，與現在工程應用的判別依據相比，理論基礎更加可靠、判別精度更高；同時，採用本發明的方法計算得到的局部模態質量與整體模態質量在數值上差別更大，依據模態質量相對大小判別局部模態的精度也比傳統的工程方法有一定提高，從而為大型液體捆綁火箭複雜模態識別提供了理論依據。
【專利說明】一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種複雜模態識別方法，尤其涉及一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法，屬於運載火箭總體領域。
【背景技術】
[0002]較現役及在研的運載火箭，大型液體捆綁火箭的尺寸和重量增大，且捆綁了液體助推器，火箭低頻模態密集、縱橫扭耦合現象嚴重，不僅對火箭結構動力學建模、模態試驗及模型修正技術提出了更高的要求，而且模態交聯的特點也給模態識別及模態質量計算帶來了難題。
[0003]現有火箭模態識別主要採用工程方法進行:對於某一階模態，以火箭頂端節點的6個方向位移(3個平動位移和3個轉動位移)中絕對值最大者來確定模態類別，如頂點在Y方向的位移絕對值最大，貝1J此階模態屬於Y方向的橫向振動模態。此種方法並未建立在嚴格的理論推導上，對於具有複雜模態交聯特性的大型液體捆綁火箭，直接應用可能會帶來
一定的誤差。
[0004]現有工程方法在識別局部模態時，主要是將振型歸一化，並依據模態質量的相對大小確定。對於運載火箭若干階模態質量，模態質量在數量級明顯要比其他大的，就判別為局部1旲態。此種局部1旲態的識別方法精度有待提聞。
[0005]對於局部模態的識別，文獻《Effectsof local vibrations on the dynamics ofspace truss structures))用最大整體振幅與在同一模態下單個元件振幅的比值識別大型桁架結構的局部模態，較利用模態質量識別局部模態方法精度差；文獻《用模態質量分布識別局部模態》採用模態質量空間分布方法識別大型桁架結構的局部模態，此種方法需要計算出模態質量在空間上的分布，對於複雜系統，其模態質量在三維空間上分布的計算過程將十分繁瑣，同時計算結果顯示不方便，會給模態識別增加困難。文獻《Effects of localvibrations on the dynamics of space truss structures〉〉和文獻〈〈用模態質量分布識別局部模態》所介紹的方法可以識別局部模態，但是對模態屬於哪個方向的振動判別較難。
【發明內容】
[0006]本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法，加深了理論基礎，提高了判別精度。
[0007]本發明的技術方案是:一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法，包括如下步驟:
[0008](I)根據運載火箭的梁一質量點有限元模型的動特性分析結果，提取出飛行狀態中某一時刻有限元模型中各個節點的質量特性行陣組成的質量特性矩陣Ms、某階模態下各個節點的振動位移行陣 組成的振動位移矩陣Us ；
[0009](2)根據Ms、Us計算模態質量分量Mx、Mr、Mz、Me，其中Mx、My、Mz, M0分別表示模態質量在縱向、Y方向橫向、Z方向橫向、扭轉方向的分量；[0010](3)比較模態質量分量Mx、My、Mz、Me的相對大小，其中最大值Me=max (Mx、My、Mz、M0 )代表的振動類型即為此階模態類型；
[0011](4)根據步驟(3)確定的模態類型進行振型歸一化處理，計算出火箭的模態質量M ；
[0012](5)模態質量大於第一階模態質量三個或三個以上數量級的模態被判斷為局部模態，即完成了複雜模態識別。
[0013]所述步驟(1)中質量特性矩陣Ms為
[0014]Ms=DVIs1 Ms2...Ms1...MsJt
[0015]其中，MSl、Ms2、Ms1、Msn*別為飛行狀態中某一時刻有限元模型中第l、2、1、n個節點的質量特性行陣，η為有限元模型中節點的個數，i e [I, η]；
[0016]第i個節點的質量特性行陣Msi為
[0017]Msi=Qnxi myi mzi Jxi Jyi Jj
[0018]其中，mx1、my1、mzi分別為第i個節點在X、Y、Z方向上的質量，Jx1、Jy1、Jzi分別為第i個節點繞X、Y、Z軸的轉動慣量；
[0019]所述步驟(1)中振動位移矩陣Us為
[0020]Us=IiUs1 Us2 …Usi …Us1Jt
[0021]其中，USl、US2、US1、USn*別為第1、2、1、η個節點的振動位移行陣，η為有限元模型中節點的個數，i e [I, η]；
[0022]第i個節點的振動位移行陣Usi為
[0023]Usi=CUxi Uyi Uzi Rotxi Rotyi RotJ
[0024]其中，Ux1、Uy1、Uzi分別為第i個節點在X、Y、Z方向上的平動位移，Rotx1、Roty1、Rotzi分別為第i個節點繞X、Y、Z軸的轉動位移。
[0025]所述步驟(2)中模態質量分量Mx的計算公式如下:
【權利要求】
1.一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法，其特徵在於包括如下步驟: (1)根據運載火箭的梁一質量點有限元模型的動特性分析結果，提取出飛行狀態中某一時刻有限元模型中各個節點的質量特性行陣組成的質量特性矩陣Ms、某階模態下各個節點的振動位移行陣組成的振動位移矩陣Us ； (2)根據Ms、Us計算模態質量分量Mx、My、Mz、Me，其中Mx、My、Mz、Me分別表示模態質量在縱向、Y方向橫向、Z方向橫向、扭轉方向的分量； (3)比較模態質量分量Mx、My、Mz、Me的相對大小，其中最大值Me=max(Mx、My、Mz、Me )代表的振動類型即為此階模態類型； (4)根據步驟(3)確定的模態類型進行振型歸一化處理，計算出火箭的模態質量M; (5)模態質量大於第一階模態質量三個或三個以上數量級的模態被判斷為局部模態，即完成了複雜模態識別。
2.根據權利要求1所述的一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法，其特徵在於:所述步驟(1)中質量特性矩陣Ms為
Ms=DVIs1 Ms2...Ms1...MsJt 其中，MSl、MS2、MS1、MSn*別為飛行狀態中某一時刻有限元模型中第l、2、1、n個節點的質量特性行陣，η為有限元模型中節點的個數，i e [I, η]； 第i個節點的質量特性行陣Msi為 Msi=Qnxi myi mzi Jxi Jyi Jzi] 其中，mx1、my1、mzi分別為第i個節點在X、Y、Z方向上的質量，Jx1、Jy1、Jzi分別為第i個節點繞X、Y、Z軸的轉動慣量； 所述步驟(1)中振動位移矩陣Us為 Us=IiUs1 Us2...Us1...UsJt 其中，USl、US2、US1、USn*別為第1、2、1、η個節點的振動位移行陣，η為有限元模型中節點的個數，i e [I, η]； 第i個節點的振動位移行陣Usi為 Usi= [Uxi Uyi Uzi Rotxi Rotyi Rotzi] 其中，Ux1、Uy1、Uzi分別為第i個節點在X、Y、Z方向上的平動位移，Rotxi, Rotyi, Rotzi分別為第i個節點繞X、Y、Z軸的轉動位移。
3.根據權利要求1或2所述的一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法，其特徵在於:所述步驟(2)中模態質量分量Mx的計算公式如下:
4.根據權利要求1或2所述的一種大型液體捆綁火箭複雜模態識別方法，其特徵在於:所述步驟(4)中根據確定的模態類型進行振型歸一化處理的方法為: 以模型首節點的模態類型方向位移h為1，首節點其他方向位移以及其他節點位移等比放大或縮小，j根據模態類型確定；模態類型屬於縱向振動時，Ujl=Uxl ;模態類型屬於Y方向橫向振動時，Uj1=Uyl ;模態類型屬於Z方向橫向振動時，Ujl=Uzl ;模態類型屬於扭轉振動時，Ujl=Rotxi ;放大或縮小倍數為B = 所述步驟(4)中火箭的模態質量M的計算公式如下:
M=B2.Me。
【文檔編號】G06F17/50GK103593557SQ201310534342
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】吳勝寶, 彭小波, 申麟, 唐慶博, 魏明, 李勇鵬 申請人:中國運載火箭技術研究院