[发明专利]一种振动试验中的多维力测试系统

说明书

技术领域  本发明涉及航天器动力学环境试验领域，特别涉及卫星等航天器的一种振动试验中的多维力测试系统。

背景技术  航天器是一类十分特殊的产品，它具有许多其它产品所没有的特点，为了保证它的可靠性和具有所要求的工作性能与寿命，除了精心设计和制造外，通过大量的环境模拟试验来验证产品的设计和制造质量是主要的和经济有效的手段。为了保证航天器及其各分系统和组件能够承受地面运输、发射阶段和返回阶段中的动力学环境，需要进行充分的动力学环境模拟试验。

振动环境是普遍存在的最为重要的一种动力学环境，在动力学环境试验中占有特殊的地位，特别是在航天器的验证和鉴定过程中，振动试验起着至关重要的作用。振动环境会导致卫星等航天器结构的损坏，仪器设备不能正常工作或发生故障，因此，在卫星设计中对振动环境十分重视，有时需要采取专门的防振隔振措施，同时要进行振动试验进行设计检验和暴露产品制造中的质量缺陷。不仅对卫星组件(仪器、设备)做振动试验，卫星的振动试验也是十分重要的，振动试验是卫星研制中最重要和数量最大的试验项目之一。

各先进航天航空工业国家对振动环境试验方法相当重视，不断改进试验方法，并研制相应的试验设备，努力使振动环境试验获得更为合理的结果。在振动环境试验中，只要振动试验的某个或者某些点的某一动力学特性(加速度或者力等)的自功率谱密度与实际振动环境的自功率谱密度相同(包括峰值和谷值)，就能实现对实际振动环境的近似模拟，而与试验时振动输入激励方式和激励点位置无关。所以在振动环境试验设计中，控制点上动力学特性标准谱的制订非常重要，若标准谱定义过高，会产生“过试验”现象，可能造成产品在实际工作环境下能正常工作，却在振动环境试验中出现失效；若标准谱定义过低，会产生“欠试验”现象，产品虽然通过了振动环境试验，但在实际工作环境下却可能出现失效。典型的航天器振动试验通常是在试验装置靠近振动台和试验件界面处，在给定的加速度量级下进行。正弦振动时，激励振级必须达到指定量级，并将输入力谱控制在试验允许的偏差范围内。实际上，试验件共振频率处的机械反射阻抗较大，因此需用较大的力保持界面的加速度振级，正是这个由振动台刚性夹具提供的力，引发了严重的过试验问题。

为了解决过试验的问题，国外进行了大量研究工作。在试验方法上基本思路有三个：①阻尼模拟；②响应控制技术；③力限控制技术。阻尼模拟的方法很少采用，因为它需要附加的结构，因而也需要额外的费用。目前在航天器系统级试验中普遍采用响应控制技术。响应控制技术一般有两种方式：一种是限制关键位置的加速度响应，另一种是通过限制质心加速度响应以限制试验件受到的最大支反力。一般认为加速度响应控制比较复杂，试验条件不易确定。限制关键位置的加速度响应主要存在两个问题：一是响应控制量级的预示精度不理想，二是关键位置很难安装传感器。对试验件质心加速度响应的控制在概念上与力限是一致的，但它存在两个问题：一是试验件质心位置经常是没有物理结构，无法在质心位置安装传感器；二是质心位置仅对于一个刚体是固定的，当试验件共振或变形时，就不可能用加速度传感器测得质心的加速度。由于基于力限技术的振动试验是测量和限制力，这样就可以有效避免上述问题。

从上世纪90年代开始，力限控制试验方法逐渐在美国NASA和欧洲空间局得到应用，在我国航天器振动环境试验中的研究和应用刚开始，北京卫星环境工程研究所对此进行了初步的试验。

力限控制技术是解决振动试验中过试验问题的一个较好途径，用力限控制试验方法进行振动试验量级的响应控制和下凹，更接近于航天器实际发射情况下的受力，模拟发射时的运载环境，克服单轴加速度响应方法的缺陷，有效防止过试验和欠试验现象，为卫星等航天器结构设计提供合理依据，在航天器系统级振动试验和部组件振动试验中能够发挥较大的作用。力限控制试验方法考虑了卫星等航天器在振动试验中试件连接面处的加速度和受力两方面情况，是加速度和力双重控制方法，在力限控制中主要以加速度进行控制，当卫星共振时输入给卫星的力超过给定条件时，加速度试验条件就会自测量和控制技术是试验质量的关键，因此对力信息测量设备、力信号采集和动下凹，从而有效解决试验中过欠试验问题。在力限控制试验中，力信息的处理技术以及控制方法等提出了很高的要求。

经检索查新，其中专利号为CN1702248A的“一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座”的专利被认为是最接近的现有技术，此专利属于结构隔震控制与振动控制技术领域，适合建筑物及仪器、设备隔震减震，与振动试验中的多维力测试系统无关。