Simcenter TEST 方案在航天器环境振动试验中的应用（第三期）

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第三期

工作模态分析（OMA）：

更深入的工程分析

微振动试验

如何处理非线性特性

基于这些核心力学环境测试，工程分析正向更深处探索。面对航天器上日益精密的光学载荷和复杂的隔振系统，传统的测试方法有时显得不足。本篇将聚焦于三个高级分析主题：在真实工作载荷下识别结构特性的工作模态分析、为保障高精度仪器而进行的微振动测试，以及对隔振系统等部件非线性动力学行为的评估与处理方法。

工作模态分析（OMA）：

更深入的工程分析

对振动加速度和应变信号进行功率谱密度分析，可以了解结构在载荷作用下的响应特性。此外，还可以利用工作模态分析技术，进一步得到结构在试验工况下的结构动力学参数。

例如，应用工作模态分析技术，在直达声场噪声测试（DFAN）中，可以获取天线反射器的结构动力学参数的应用（下图由Thales Alenia Space Toulouse提供）。

▲ 直达声场（DFAN）环境试验现场布置

▲ 用力锤法和工作模态分析技术获取的

特征频率和阻尼

▲ 曲线拟合质量检查，工作模态分析与

锤击法模态分析的曲线拟合结果对比

▲ 工作模态分析识别得到的模态振型

测试中，布置了用于反馈控制的传声器，还用加速度计监测了试验件的结构振动响应。利用这些加速度信号可以进行模态参数识别，通过分析多个声压级的振动数据，还可以进行结构非线性行为的研究。试验中使用了Simcenter™ SCADAS™ 硬件、Simcenter™ Testlab™ MIMO随机控制软件、Simcenter™ Testlab™工作模态分析软件进行模态参数识别。

微振动试验

航天器上越来越多的使用高精度光学成像传感器和激光器，但是，航天器搭载的机械装置（飞轮、陀螺、伺服机构等），其所引起的微振动（μg级）会导致成像模糊。因此，科学卫星和地球观测卫星都对微振动环境有着非常严格的要求。

为了验证航天器是否满足这方面的要求，需要专门的微振动试验台架。

▲ 欧洲宇航局空间研究与

技术中心（ESA/ESTEC）微振动试验台

考虑到超低量级的测试（5Hz~1kHz频率范围，10毫牛力，2毫牛·米力矩），该试验台使用了由气动隔振器支撑的大型大理石抗震块，将试验台与地面环境振动进行了隔离。

Simcenter SCADAS的VCF4电荷输入模块具有超低本底噪声，非常适用于超低量级载荷水平作用下微振动的精确测试。针对各扰振源动力学行为对（子）系统微振动的贡献量，进行详细的分析研究，定位关键扰振源。

为了更好地解释结果，了解试验台/测试件组合结构的共振频率也非常重要。这样，就可以区分哪些是由反作用飞轮自身所引起的振动响应，而哪些是由于结构组合所产生响应。下图展示了通过Simcenter™ for Qsources™激振器测试组合结构的共振频率。

▲ 欧洲宇航局欧洲空间研究与技术中心（ESA/ESTEC）反作用飞轮微振动试验台，

及Simcenter for Qsources激振器

▲ Simcenter Testlab分析结果，

包括瀑布图、峰值保持谱和

某转速下的力谱（来自欧洲宇航局报告）

Simcenter平台提供了完整的传递路径分析（TPA）解决方案，涵盖ECSS-E-HB-32-26A航天器结构载荷分析手册第13章中关于微振动测试要求的整个流程。微振动研究还可以通过CAE仿真来进行，基于Simcenter所特有的“混合TPA”功能，还可以将仿真和测试结合起来，将测试数据作为仿真模型的输入，也可以基于数值仿真数据装配出试验模型。

如何处理非线性特性

为了抑制卫星的微振动，通常使用如弹性衬套进行软连接，例如由EADS-Astrium公司开发的SmallSat小型通讯卫星隔振系统—飞轮弹性隔振系统（WEMS），可以减小卫星在轨运行时的微振动，并在发射过程中对飞轮起到保护作用。弹性衬套在低振动水平下是软的，但超过一定的振动水平就会变硬，发生机械锁死，并产生非线性的动力学特性。

对于这类非线性结构的试验，常规频谱分析得到的结论，往往引发争论，因为每次扫频的响应量级都不尽相同，而且在高量级扫频时非线性非常严重。欧洲宇航局发起了一个研究项目，探究航天器隔振系统的非线性响应问题，据此更新了ECSS-E-HB- 32-26A航天器结构载荷分析手册，专门增加了一章，讨论如何处理非线性问题。

该项目使用Simcenter SCADAS数采和Testlab分析软件，进行了装有WEMS隔振系统的SmallSat卫星结构模型的认证试验。通过5Hz~80Hz的正弦扫频试验，控制目标点响应的不同量级，研究其非线性特性。