[发明专利]一种基于微振动瀑布图的飞轮刚度参数提取方法

说明书

一种基于微振动瀑布图的飞轮刚度参数提取方法，包括如下步骤：(1)建立飞轮转子的径向动力学模型和径向微振动传递模型；(2)对飞轮升速时的微振动进行测试并生成瀑布图；(3)得到飞轮微振动瀑布图上的局部峰值坐标；(4)通过对坐标数据进行分类和鲁棒回归，拟合得到飞轮在全转速范围内的模态及涡动曲线的函数表达式，将四个表达式移项相乘得到构造特征多项式；(5)得到优化的目标函数；(6)通过最优化的方法求解目标函数，得到飞轮径向动力学模型和振动传递模型中的各刚度参数。本发明可应用于设计飞轮时优化配置转子结构刚度，涡动及模态，也可作为飞轮批量生成过程中判定产品结构一致性与合格性的依据。

技术领域

本发明提出了一种飞轮刚度参数提取方法，属于制模型参数辨识技术领域。

背景技术

飞轮是航天器上应用最为广泛的惯性姿态执行机构，主要由轴承组件、电机组件、轮体组件和壳体组件构成。其中，轮体组件、轴承组件和电机组件中的旋转零部件共同构成飞轮转子。鉴于转子中存在众多的活动部件，加之各个零部件不可避免存在一定的加工制造误差和转子装配误差。一方面，使得转子存在一定的静动不平衡量，在高速旋转过程中将会产生一定的离心力和力偶；另一方面，轴承沟道、滚动体等的加工误差使得处于预紧状态的轴承在旋转过程中将会产生预紧力的波动。这些力和力矩作为振源共同作用于飞轮转子，当这些与转速相关的振源和转子的结构模态及涡动耦合时，可能会产生较大的共振。这些振动力和力矩再通过基座传递至星体，它们相对于发射段火箭导致的振动幅值小得多，因此对飞轮而言，其在运转过程中产生的振动通常称之为“微振动”；而对于航天器结构和其它载荷而言，这种振动通常称之为“扰振”。飞轮微振动是一系列频率离散且分布范围较宽的微幅复合振动。它具有微幅、固有、宽频、难控等一系列属性。

国内外研究表明，以飞轮为代表的高速旋转的惯性执行机构是卫星姿态稳定和精度保持的最大干扰源。这些振动力和力矩将对飞轮自身及星体产生一定的影响。随着现代科技的发展，尤其是航天科技的飞速发展，对卫星等航天器平台的姿态稳定性提出了越来越高的要求。飞轮转子在高速旋转的过程中产生的宽频微振动日益凸显，成为我国高分辨率卫星性能进一步提升的一个障碍。

经对现有技术文献的检索发现，目前对于飞轮的微振动特性研究的一个重要方向是研究飞轮的动力学模型，分析其动力学特征，模拟飞轮的微振动输出，但是这些模型参数没有试验基础，模型的准确性需要提高；另一方面，模型仅停留于理论分析，未对飞轮产品的科研生产提供积极的指导作用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于微振动瀑布图的飞轮刚度参数提取方法，通过本发明的方法，结合微振动传递模型，从飞轮的微振动力和力矩瀑布图中提取了飞轮的刚度参数，刚度参数作为飞轮生产过程中的一个指标，判定飞轮转子的结构刚度的一致性与合格性。

本发明的技术解决方案是：一种基于微振动瀑布图的飞轮刚度参数提取方法，包括如下步骤：

(1)在惯性坐标系下，建立飞轮转子沿径向平动和绕径向转动的动力学方程为：

其中，矩阵G为:

其中，m_w表示飞轮转子的质量、I_wd表示飞轮转子径向转动惯量、I_wp表示飞轮转子轴向转动惯量，Ω表示转子转速，s为复变数；

x_w表示飞轮转子质心沿x方向的线位移、y_w表示飞轮转子质心沿y方向的线位移；

θ_w表示飞轮转子绕ox轴转动的欧拉角,表示飞轮转子绕oy轴转动的欧拉角；

f_wx(s)、f_wy(s)分别表示飞轮转子质心处的等效激励力在x轴、y轴的分量；