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航天器振动试验的频率漂移问题综述
航天器振动试验的频率漂移问题综述
Vo1.14NO.4
58
航天器工程
SPACECRAFTENGINEERING
第14卷第4期
2005年12月
航天器振动试验的频率漂移问题综述
薛宏伟林益明刘天雄
（中国空间技术研究院总体部,北京100094）
摘要卫星结构应以足够的强度,刚度和精度支持星上有效栽荷和其他分系统的正常工作,其
中刚度要求结构的基频大于规定值,或结构的变形小于规定值.航天器设计完成后,需要通过力学
试验验证结构的固有频率是否满足设计要求,验证在力学环境中结构的整体刚度是否发生改变.
近年来一些型号在随机振动试验后,通过低频扫描试验表明,结构出现了频率向下漂移的现象.该
文对各类文献中提到的频率漂移情况进行了归纳,对导致频率漂移的原因作了初步的分析.
关键词航天器,振动试验,随机振动,固有频率,频率漂移.
引言
固有频率是卫星结构的固有特性,尤其是基频,是航天器设计的重要指标.如果卫星在振动试验中出现
频率改变,特别是不可恢复的频率改变,说明整星的动态特性发生了变化,可能给卫星正常发射和在轨运行
带来问题,应引起高度的重视.
在以往的卫星振动试验中,曾出现过随着载荷量级逐步增大导致固有频率连续降低的现象,定量级的随
机振动试验前后检测到基频不一致的现象,系统的固有频率与试验前相比一般有所下移,这两种现象都称为
频率漂移.
不可恢复的频率漂移改变了结构的动态特性,增大了航天器结构在复杂力学环境中的不可预料性和不
可控制性,即使是可恢复的频率漂移,也需要在设计中控制漂移的幅度.从突出刚度设计的原则出发,卫星
设计中必须保证整星的固有频率在其经历的各种复杂力学环境中频率漂移在允许范围之内.因此,航天器
结构的这种频率漂移,引起了国内外同行的高度重视,对于其产生的机理也在积极的探索中.引起频率漂移
的原因是多方面的,这里只对近来国内外出现的频率漂移现象进行分析整理,对引起频率漂移的原因进行初
步探索.
1国外频率漂移现象及研究
频率漂移现象曾出现在我国及国外的一些航天器振动试验中,如美国NASA发向土星的卡西尼号
（Cassini）探测器,在进行模态试验时,曾发现有很大幅度的频率漂移[,.意大利AIT实验室对大面积伽马
射线天文望远镜GammaRayLargeAreaSpaceTelescope—GLAST）结构的随机振动试验过程中,也发现了
频率向下漂移,并且峰值有扩散现象.
1.1卡西尼探测器的频率漂移
美国NASA的卡西尼土星探测器是JPL（JetPropulsionLaboratory）负责设计和试验的大型航天器项目.
整个航天器重6.5t,于1997年发射,在经过了7年的长途旅行后,2005年1月,将惠更斯（Huygens）登陆舱
成功地释放到了土卫6上,向地球发回了土卫6的大量珍贵资料.然而,这个航天器在1995年的模态试验
中,发现随着激振器推力量级的逐级增大,频率连续向低频漂移,引起JPL设计者的高度关注.
卡西尼探测器在模态试验中,随着激励载荷量级的逐步增加,惠更斯舱段的固有频率连续降低,在10%
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的极限载荷下,频率就比未加载前下降了5%.最后从5dB时的21Hz降到极限载荷下的18Hz.纵向模态
的频率值比最初降低了15%,具体的实验数据如图1所示.
针对出现的问题,JPL在卡西尼结构模态试验的基础上开发了与试验模态相吻合的有限元模型.利用
相对精确的有限元模型,进行载荷及振动过程中出现频率漂移原因的分析.
NASA刘易斯中心对卡西尼号有限元模型的lIrl
动力分析的研究指出,造成频率漂移的原因是偏移}=
间隙（off—gapping）.对间隙单元仿真分析,其结七
果与试验数据符合得非常好_2],说明偏移间隙使惠}_
更斯结构连接出现非线性动力特性,这是造成频率主lL
漂移的直接原因.同时指出,如果系统是线性系蓦E
统,则所有的曲线都应该与5dB的曲线重合.但}.
是由于系统具有非线性特性,当载荷量级增大时,L
系统的特征频率随载荷连续降低,频率点的峰值响I
应也随着下降,如图1所示.1
根据有限元分析得到的结果,JPL对其设计进
行了改进,并于1996年1月由NASA专门对探测图1卡西尼模态试验中的频率漂移现象
器在高载荷量级下进行了动力学试验,试验结果表明,消除了偏移间隙因素的惠更斯探测器未出现频率漂移
现象.
1.2间隙引起的频率漂移
日本航天研究机构的NobukatsuOkuizumi和M.C.
Natori对红外空间天文卫星ASTRO—F的结构进行了详
细的对间隙引起频率漂移的数值模拟_3].简化后的计算
模型如图2所示.
仅考虑在一z方向纵向激励和方向的侧向激励,模
型的运动方程可以简化为
fMz+~II+C13一（z,z,0,）=0
^+c22乏一F（,z,0,￡）=一Mg
（1）
lJ+C31+C330一（,z,0,￡）=0
'
\.If
州体/l\刚体\/
一
/J
一
jL
Q
纵向力
弹簧特性
图2ASTRO—F结构频率漂移计算模型
对基础部分在5Hz～40Hz频率范围内2Oct/min正
弦扫描速率,纵向1g的恒定载荷的条件下,间隙分别是0m,20t~m,40t~m和lO0~m四种不同的情况进行响
应分析;以及在间隙是20btm,载荷量级分别为0.01g,0.1g,lg和10g四种情况进行响应分析,分别得到了图
3所示的结果.
频率/Hz
《a）
频率/Hz
Ib）
图3正弦扫描条件下,不同间隙（a）,不同载荷（b）时模型的频率漂移
航天器T程l4卷
由图3（a）可见,随着间隙的增大,频率连续降低,在间隙达到100~um时,响应出现跳跃现象,系统已经
进入一种混沌状态.在图3（b）中,当输入量级0.01g时,载荷量级微弱,系统接近线性状态,基频为30Hz;当
输入量级达到0.1g时,弹簧表现出软非线性,频率降低;当载荷量级很大时,非线性硬特性以及准线性特征
开始显现,系统的固有频率又接近30Hz.随机振动情况大致与正弦类似,如图4所示.
霉
幽
量
频率/Hz频率/Hz
（a）（b）
图4随机振动条件下,不同问隙（a）,不同载荷（b）时模型的频率漂移
1.3粘弹性材料造成的频率漂移
有些航天器的仪器设备,因特殊需要（如减振,密封等）,要增加一些粘弹性材料以增大阻尼.由于橡胶
材料的剪切模量随频率和环境温度改变,使结构刚度为变化,使用这些材料的结构在振动试验中也会表现出
非线性特点,造成固有频率随载荷量级的改变而变化,产生频率漂移.
文献[4]中提到了某航天器一个热量计的随机振动试验中的频率漂移现象.图5所示是该试验中某一
个测点记录的不同载荷量级振动的加速度响应曲线,包括了三次低量级的随机振动,一6dB随机振动和全振
幅随机振动和一次低量级正弦冲击振动的加速度响应曲线.
试验结果显示,随着输入量级的增加基频减小,基频从低量级随机振动时的110Hz降到了一6dB量级的
约100Hz,最后降到了全振幅随机下的91Hz,降低了20%左右.
文献[5]中,TomSarafin对FalconSAT的结构星在正弦冲击试验,随机振动试验,正弦扫描试验中出现
的频率漂移问题及其原因进行了阐释.试验前后,FalconSAT结构星的一阶频率为33Hz,随机振动鉴定级
16.3g—rms,在随机振动试验前后,进行了两次低量级正弦扫描试验,通过比较发现,一阶频率从33Hz降到
了30Hz,高阶频率从235Hz降到225Hz,高阶频率处的峰值从4.3g降到1.5g,图6中圆圈部分为明显的基
频漂移.
II频率/Hz
频缸,（Hz）log
图5不同量级载荷的频率响应图图6Y轴前后正弦扫描对比
文献[5]提到的试验许可准则指出,关键模态的频率漂移不大于5%,峰值附近的加速度响应值下降不
大于20%.该试验中基频漂移达到了l0%,高阶频率处峰值响应降低了65%,可见未满足要求.
文献对此频率漂移提出了如下可能原因i试验中使用的冲击环是典型的粘弹性材料,它的剪切模量随着
0●J¨
¨●Il
O
8,善三
第4期薛宏伟等:
航天器振动试验的频率漂移问题综述61
振动频率及环境温度的变化而变化.在振动过程中,这种材料持续了两分钟的鉴定级随机振动试验,使得材
料的温度升高,对基频影响较大.对于高阶频率峰值漂移,还不能肯定是由于冲击环的非线性因素,还是结
构的退化.该文献建议在粘弹性材料冷却以后再进行一次后正弦扫描,以检查同等温度下结构的频率是否
一
致,后续试验研究仍在进行中.
1.4结构局部损坏引起的频率漂移
显然,结构部件或连接件的损坏,必然降低结构的整体性能,影响刚度分布.一般来说大的结构损坏（如
结构板开胶,断裂,大的变形等）,必然大幅度地影响结构的固有频率,这种情况不属于我们讨论的频率漂移,
可是细微的局部连接松动,螺纹磨损等会引起整体刚度的微小改变,产生频率漂移.
伽马射线大面积太空望远镜（GLAST）的正样随机振r—?
—--—一
动试验于2003年11月在意大利的罗马AleniaAIT实验f''''
室进行,文献[6]对试验情况进行总结,发现在不同量级"'f:
;:
!
;;./
的随机振动试验中,一阶频率发生了变化.通过连续对f:
:
I_.'厂'
试验件进行一6dB,一3dB和0dB的随机振动试验发现,.L一...b
加速度响应峰值频率点向低频方向漂移,并且主峰值的羲}?
-B_
扩散现象很明显,如图4所示.室【...
文献[6]对试验后试验件进行检查分析得出的结论"'}:
;:
;
是:
在随机振动后,几个螺钉出现松动,而且振动过程中[:
:
:
:
:
:
.
出现了螺纹损伤的情况.峰值扩散现象间接表明,振动,『'''
过程中结构的阻尼特性也随之发生改变...
2我国的研究近况
log
图7不同量级随机载荷下结构的加速度响应曲线
文献[7]针对某卫星随着振动量级的增加固有频率降低的现象进行了模拟,不考虑随机激励的因素,单
从结构的非线性角度进行了分析,认为造成频率漂移的原因只是振动量级不同导致了结构的动态特性的变
化,跟激励形式没有关系.卫星试验过程中分别用0.1g,0.3g,0.6g,0.9g四个不同的台面加速度量级激励,
现象表明随着加速度量级的增大固有频率持续降低,但是振型形状基本相似,各测点的峰值保持一定的比
例.
文献[7]把频率降低的因素归结到系统具有Dulling型软非线性特性,从而造成固有频率随载荷增加而
降低.按照线性模态辨识的理论得到的阻尼比换算.阻尼系数也呈现出下降的趋势.可是从已有的试验现
象可以看出,随着载荷的增加,阻尼出现了持续增大的现象,这说明在非线性因素下,系统的刚度降低的同
时,阻尼却是非线性增长的,对于这样的系统,由常规的线性模态分析技术辨识得到的参数是不可信的.
通过对单自由度非线性Dulling型软特性非线性动力模型的分析计算和模拟可知:
随着力幅增大,系统
的刚度降低,阻尼增大.这些动力特征的表现是固有频率连续变小,半功率点的带宽变大,随着力幅的进一
步增加,系统将出现不稳定跳跃.
这样考虑的一个原因是卫星蜂窝结构使用的比例逐渐增大,而蜂窝结构材料在卫星质量增加,质心变
高,卫星结构指标越来越先进,重量比越来越小的情况下,刚度裕度将非常有限.通常结构会超过其弹性范
围,出现非线性的应力应变关系,这种材料上的非线性,将导致结构动力特性的不稳定,出现频率漂移.
我国国防科大的学者从连接接头方面人手,对某卫星振动试验中出现的频率漂移问题进行了研究,通过
模拟连接接头失效前后整星局部节点的响应,分析了接头松动或失效对结构刚度的影响.研究表明,单个连
接接头失效,整星的纵振频率降低1Hz--2Hz;两个连接接头失效,整星的纵振频率降低5Hz6Hz.但是,对
接头连接刚度下降的深一层的原因还需进一步研究.
62航天器工程14卷
3总结
调研中发现,虽然国内外对频率漂移现象有相关的文献阐述,但大多数都还不深入,未从理论上挖掘频
率漂移的机理.
通过大量调研,引起频率漂移的原因,可以归纳为如下几种情况:
（1）材料非线性因素
该类结构的刚度与激励载荷有关,在不同量级载荷的激励下,结构频率随着载荷量级的增加连续降低,
同时阻尼比增大,振幅减小,再次低量级激励可能发现频率并未明显改变.这种结构的频率漂移一般是可以
恢复的,即材料在此阶段只是超出了线性状态,并没有发生塑性变形.
（2）接触非线性因素
考虑螺钉接触部分因存在间隙而使得结构在不同量级载荷下出现频率漂移,文献[3]对这种因素给出了
具体的数值分析,考虑了不同问隙对频率的影响.
（3）结构局部损坏因素
由于结构的局部强度不足导致的频率漂移一般不可恢复,在低于该量级时,结构还处于线性阶段,而在
某个载荷高量级时,结构局部出现损坏失效.对这种情况,在试验前后用低量级的正弦扫描进行结构动态特
性检查,发现频响曲线峰值未能重合,固有频率出现不可恢复的漂移.
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作者简介:
薛宏伟,男,1978年生,2003年7月毕业于哈尔滨工程大学工程力学专业,获得学士学位;现攻读中国空
间技术研究院飞行器设计专业硕士学位.
林益明,男,1971年生,1997年毕业于北京科技大学固体力学专业,获得硕士学位;高级工程师,目前主
要从事导航卫星总体设计工作.
刘天雄,男,1971年生,2002年6月毕业于上海交通大学机械与动力工程学院,获得机械电子工程专业
博士学位;高级工程师,目前主要从事卫星结构设计,分析与试验工作.
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