本發(fā)明涉及一種航天器正弦掃頻振動(dòng)疲勞失效分析方法，特別是航天器結(jié)構(gòu)失效，屬于飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

馬興瑞、韓增堯等著《衛(wèi)星與運(yùn)載火箭力學(xué)環(huán)境分析方法及試驗(yàn)技術(shù)》中提到，航天器正弦振動(dòng)環(huán)境屬于低頻瞬態(tài)環(huán)境，頻率范圍一般介于0～100Hz，主要由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)、點(diǎn)火、關(guān)機(jī)、級(jí)間分離等事件引起。另外，在地面運(yùn)輸、裝卸以及返回航天器在返回制動(dòng)、開(kāi)啟降落傘、著陸等事件也產(chǎn)生低頻瞬態(tài)環(huán)境。通常針對(duì)發(fā)射過(guò)程中，航天器經(jīng)受最嚴(yán)酷的幾個(gè)特征狀態(tài)下(起飛，最大動(dòng)壓，助推級(jí)分離前，助推級(jí)分離后，一、二級(jí)分離前，一、二級(jí)分離后)，需要聯(lián)合運(yùn)載火箭和衛(wèi)星進(jìn)行動(dòng)態(tài)星箭載荷耦合分析，也稱星箭耦合分析。航天器正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間歷程比較短暫，而且航天器經(jīng)歷的發(fā)射段的振動(dòng)試驗(yàn)歷程較短，因此通常不分析其疲勞壽命。

GJB1027A-2005《運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》和HDBK-7005《Dynamic environmental criteria》中提到，目前的分析方法是根據(jù)線性振動(dòng)原理，利用有限元分析頻域內(nèi)加速度響應(yīng)，根據(jù)以往振動(dòng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)判斷是否失效，結(jié)合正弦掃頻振動(dòng)前后特征級(jí)掃頻結(jié)果對(duì)比，頻率漂移不超過(guò)5％為合格。但這種分析方法缺乏定量分析，沒(méi)有損傷概念，并且在試驗(yàn)之前無(wú)法給出預(yù)示的損傷分析，更多依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)劉旭華的《結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠性研究》和倪侃、張圣坤的《疲勞可靠性二維統(tǒng)計(jì)Miner準(zhǔn)則》，現(xiàn)有的振動(dòng)失效分為兩種方法，首次穿越失效和疲勞失效，上述兩種失效方法都是基于時(shí)域的振動(dòng)響應(yīng)幅值和循環(huán)次數(shù)來(lái)進(jìn)行分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種航天器正弦掃頻振動(dòng)疲勞失效分析方法，解決航天器結(jié)構(gòu)正弦掃頻振動(dòng)疲勞損傷分析問(wèn)題，可以用于分析航天器正弦掃頻振動(dòng)的疲勞損傷和失效。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種航天器正弦掃頻振動(dòng)疲勞失效分析方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)航天器結(jié)構(gòu)，建立航天器的有限元模型，根據(jù)正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)中航天器與夾具的連接方式，對(duì)其相連接的部分進(jìn)行固定約束，并施加正弦掃頻振動(dòng)條件作為載荷，進(jìn)行振動(dòng)頻域響應(yīng)分析，得到加速度和應(yīng)力頻域響應(yīng)結(jié)果；

(2)根據(jù)正弦掃頻振動(dòng)控制方法，將應(yīng)力頻域響應(yīng)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力時(shí)域響應(yīng)幅值以及循環(huán)次數(shù)；

(3)根據(jù)應(yīng)力時(shí)域響應(yīng)幅值和循環(huán)次數(shù)，結(jié)合首次穿越失效以及疲勞損傷分析方法Miner準(zhǔn)則，進(jìn)行振動(dòng)失效分析。

所述的將應(yīng)力頻域響應(yīng)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力時(shí)域響應(yīng)幅值以及循環(huán)次數(shù)的方法包括如下步驟：

(1)根據(jù)應(yīng)力頻域響應(yīng)結(jié)果得到應(yīng)力時(shí)域響應(yīng)幅值；

(2)計(jì)算得到頻率處循環(huán)次數(shù)n為

其中，f₁、f₂為掃描倍頻程過(guò)程中任意兩個(gè)頻率點(diǎn)，t₁為掃描至f₁時(shí)間，t₂為掃描至f₂時(shí)間，s為倍頻程掃描速率，f₀為掃描開(kāi)始頻率。

所述的s為4.33oct/min。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明方法克服了現(xiàn)有的分析方法在試驗(yàn)之前無(wú)法給出預(yù)示的損傷分析，更多依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺陷，通過(guò)將頻域分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為時(shí)域分析結(jié)果，從而和現(xiàn)有的失效理論結(jié)合起來(lái)，可以用于振動(dòng)失效分析。更加直觀，可以直接用于振動(dòng)失效分析，具有很好的使用價(jià)值；

(2)本發(fā)明方法克服了現(xiàn)有的分析方法缺乏定量分析，沒(méi)有損傷概念，無(wú)法定量分析振動(dòng)試驗(yàn)造成的損傷的缺陷，可以給出定量的疲勞損傷分析結(jié)果，用于評(píng)價(jià)正弦振動(dòng)試驗(yàn)的影響。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種航天器正弦掃頻振動(dòng)疲勞失效分析方法流程圖；

圖2為本發(fā)明方法中正弦振動(dòng)控制框圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種航天器正弦掃頻振動(dòng)疲勞失效分析方法，解決航天器結(jié)構(gòu)正弦掃頻振動(dòng)疲勞損傷分析問(wèn)題，可以用于分析航天器正弦掃頻振動(dòng)的疲勞損傷和失效，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示為本發(fā)明一種航天器正弦掃頻振動(dòng)疲勞失效分析方法流程圖，包括如下步驟：

(1)根據(jù)航天器結(jié)構(gòu)，建立航天器的有限元模型，根據(jù)正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)中航天器與夾具的連接方式，對(duì)其相連接的部分進(jìn)行固定約束，并施加正弦掃頻振動(dòng)條件作為載荷，進(jìn)行振動(dòng)頻域響應(yīng)分析，得到加速度和應(yīng)力頻域響應(yīng)結(jié)果；

(2)根據(jù)正弦掃頻振動(dòng)控制框方法，將應(yīng)力頻域響應(yīng)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力時(shí)域響應(yīng)幅值以及循環(huán)次數(shù)；

(3)根據(jù)應(yīng)力時(shí)域響應(yīng)幅值和循環(huán)次數(shù)，結(jié)合首次穿越失效以及疲勞損傷分析方法Miner準(zhǔn)則，進(jìn)行振動(dòng)失效分析。

如圖2所示為本發(fā)明方法中正弦振動(dòng)控制框圖，掃描倍頻程時(shí)，掃描時(shí)間和掃描速率的關(guān)系用下式表示：

式中：f₀為掃描開(kāi)始頻率；f_x為掃描終止頻率；s為倍頻程掃描速率，單位Oct/min；t為從f₀掃到f_x所需時(shí)間，單位為min。

對(duì)于正弦振動(dòng)，關(guān)注結(jié)構(gòu)諧振響應(yīng)，進(jìn)行失效分析結(jié)構(gòu)的自然頻率是f_n，諧振響應(yīng)曲線是一條有諧振峰的曲線，峰值與Q(結(jié)構(gòu)放大系數(shù))有關(guān)，諧振峰的頻率范圍與結(jié)構(gòu)阻尼有關(guān)，試驗(yàn)表明在諧振狀態(tài)下結(jié)構(gòu)失效主要取決于諧振帶寬Δf內(nèi)的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)，為此公式(1)可以寫為：

式中：Δf為諧振帶寬，Δt為諧振帶寬的持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)振動(dòng)理論上式可寫為

假設(shè)放大系數(shù)Q＝10，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)諧振帶寬的時(shí)間△t應(yīng)與外場(chǎng)環(huán)境基本一致，大約為2秒(1/30分鐘)，所以掃描頻率的計(jì)算結(jié)果是S≈4.33oct/min。

由公式(1)可得：

式中：f₁、f₂為掃描過(guò)程中任意兩個(gè)頻率點(diǎn)，t₁為掃描至f₁時(shí)間，t₂為掃描至f₂時(shí)間。以來(lái)代替f₁至f₂的頻段，則在頻率處循環(huán)的次數(shù)n為：

在5～100Hz內(nèi)取96個(gè)頻率點(diǎn)，在MATLAB中編程計(jì)算，采用鑒定試驗(yàn)的掃描速率2Oct/min，則在所取的96個(gè)頻率點(diǎn)上，所循環(huán)的次數(shù)都為42.8302次，約為43次。以驗(yàn)收試驗(yàn)的掃描速率4Oct/min來(lái)計(jì)算，則在96個(gè)頻率點(diǎn)上，所循環(huán)的次數(shù)都為21.64次，約為22次。

根據(jù)步驟(1)得到的應(yīng)力幅值和前文計(jì)算的循環(huán)次數(shù)，可以進(jìn)行首次穿越失效分析和疲勞失效分析。

本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。