CN102901611A - 一种基于模态试验的星载天线结构损伤快速排查方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于模态试验的星载天线结构损伤快速排查方法，对星载天线结构进行模态分析，初步估计其模态参数；在振动试验前搭建快速模态试验系统，检测该结构的模态特性；最后，在振动试验后再次检测该结构的模态特性。通过模态特性的变化趋势判断该结构是否出现损伤以及发生损伤的位置、损伤形式、损伤程度等。出现损伤的星载天线结构经过修复后，通过检测修复前后的模态特性变化，判断该结构修复的效果。本发明具有快速、简单、易于量化、成本较低等优点，可以广泛应用于星载天线结构以及各种空间结构上，在星载天线结构领域，具有很强的实用性和市场竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及一种星载天线损伤排查方法，主要基于模态试验技术进行星载天线结构损伤模式判断、位置确定等，属于星载天线结构测试技术领域。
背景技术
模态是结构的固有属性，每一个模态具有特定的模态频率、阻尼比、模态振型、模态质量、模态刚度等。这些模态参数可以由试验或者计算得到，这样一个试验或计算的过程称之为模态分析。完整的模态分析法是通过一定的激励、数据采集方法，得到结构内部系统与输入、输出之间的关系。通过对试验数据进行分析，将结构各阶次模态频率剥离出来，同时得到各频率对应振型、阻尼比等结构系统的模态特征参数；利用这些参数，修正数学模型，通过对修正后的数学模型进行模态计算即可全面掌握了解该结构系统的模态特性。
一旦结构发生损坏，其模态特性必然发生变化。因此，结构模态特性变化是星载天线结构内部结构出现损伤的重要特征之一。通过检测出现损伤前后星载天线结构模态特性的变化趋势，可以诊断星载天线结构损伤产生的位置、损伤形式及损坏程度等；监测修复前后星载天线结构的模态特性变化，可以判断星载天线结构修复的效果。因此，模态参数可以作为结构损伤诊断与排查的标识量之一。
星载天线作为卫星有效载荷的主要结构之一，在发射使用之前需要经历大量、严苛的力学环境试验，以保证星载天线结构的可靠性。通过这些试验可以暴露因结构设计、制造、材料、工艺等引起的星载天线结构潜在损伤。如果星载天线结构在试验后出现损伤，必须尽快排查损伤原因和损伤位置，并及时修复进行再试验。星载天线结构损伤的形式大致可以归纳为：裂纹、脱胶、局部断裂等，有些损伤形式有些不易察觉，目测难以发现，但会对星载天线结构的正常使用留下隐患，必须定位、修复。基于模态分析的结构损伤快速排查方法能有效解决此类问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种快速、简单、易于量化、成本较低的星载天线结构损伤快速排查方法。
本发明的技术解决方案是：一种基于模态试验的星载天线结构损伤快速排查方法，实现步骤如下：
(1)在振动试验前，对星载天线结构进行模态试验，检测星载天线结构的基本模态参数；所述星载天线结构的基本模态参数，包括模态频率和模态振形；
(2)在振动试验后再次进行模态试验，检测该星载天线结构模态参数；
(3)对比振动试验前后星载天线结构模态参数的变化，判断该星载天线结构是否出现损伤及损伤位置、损伤形式和损坏程度；所述损伤形式分为裂纹、开胶、局部开裂三类，所述损伤位置是指损伤发生的具体位置，位于连接位置、集中质量位置；所述损伤程度与损伤形式对应，分为轻微、中等、严重三种程度；
(4)如果星载天线结构出现损伤，则需要对星载天线结构进行修复；经过修复后，通过检测修复前后的星载天线结构基本模态参数变化，判断该星载天线结构修复是否有效。
所述步骤(1)及步骤(2)中均通过快速模态试验系统对星载天线结构进行模态试验；所述快速模态试验系统由便携式模态分析仪、模态力锤、ICP型加速度传感器(Integrated Circuits Piezoelectric，内置集成电路的压电传感器)、模态分析系统组成；在天线结构的各测点上设置加速度测点和力锤激励点；采用模态力锤对天线结构进行激励作为激励信号，同时利用加速度传感器采集天线结构上各测点的响应作为输出信号；利用便携式模态分析仪同时采集各测点的激励信号和输出信号并计算响应信号与激励点激励信号之间的频率响应函数(FRF)；最后，将这些FRF送入模态分析系统进行分析，得到天线结构的模态参数。
所述步骤(4)若该基本模态参数与振动试验前测得模态基本参数一致性较好，即模态频率误差在5％以内，则认为修复有效。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于模态分析的结构损伤快速排查方法利用模态分析理论对星载天线结构进行振动前后模态试验，星载天线结构的结构特性与模态参数紧密相关，一一对应，即使当星载天线结构发生微小变化时，如轻微裂纹、局部脱胶等，模态参数也会发生相应的变化，如模态频率发生漂移，模态振型异常等，通过监测星载天线结构前后模态参数，就能准确把握星载天线结构试验前后模态特性的变化，快速准确定位损伤位置及损伤机理，这种基于模态试验的快速损伤排查方法，与传统的人力目测、红外检测、超声波检测方法相比，具有快速、简单、易于量化、成本较低等优点，可以广泛应用于星载天线结构以及各种空间结构上，从而提高损伤定位及排查的效率和准确性，在星载天线结构领域，具有很强的实用性和市场竞争力。
(2)本发明很好地解决了星载天线结构损伤诊断不易量化的问题，采用搭建快速模态试验系统检测星载天线结构模态特性的办法，将结构的损伤模式以模态特性变化的趋势的形式表现出来，从而实现损伤模式的量化。
(3)在振动试验前后或修复前后仅利用便携式模态分析仪、模态力锤、ICP型加速度传感器等搭建快速模态试验系统，采用锤击法进行快速模态试验；利用最少的时间、最小的代价检测星载天线结构的基本模态参数，因此成本低，易于实现。
附图说明
图1为本发明中使用的快速模态试验系统结构示意图；
图2为本发明实施例某卫星S/L/C天线结构示意图；
图3为本发明实施例某卫星S/L/C天线有限元模型；
图4为本发明实施例某卫星S/L/C天线一阶模态振型；
图5为本发明实施例某卫星S/L/C天线二阶模态振型；
图6为本发明实施例试验前一阶模态振型；
图7为本发明实施例试验前二阶模态振型；
图8为本发明实施例试验后一阶模态振型；
图9为本发明实施例试验后二阶模态振型
图10为本发明实施例损伤修补后一阶模态振型；
图11为本发明实施例损伤修补后二阶模态振型。
具体实施方式
本发明首先利用成熟的商业有限元软件，对星载天线结构进行模态分析，从理论上初步估计其模态参数；然后，根据模态分析结果，布置传感器测点，选取合适的传感器、测试设备等，搭建快速模态试验系统；在振动试验前检测星载天线结构的模态特性；最后，在振动试验后再次检测星载天线结构的模态特性。如果星载天线结构在试验前后模态特性发生变化，可以通过模态特性的变化趋势判断星载天线结构是否发生损伤以及发生损伤产生的位置、损伤形式、损坏程度等。星载天线结构经过修复后，通过检测修复前后的模态特性变化，判断星载天线结构修复的效果。
快速模态试验系统的工作过程如下：首先按图1所示搭建系统，在天线产品上设置加速度测点和力锤激励点；一般采用便携式模态分析仪，采用简单易用的锤击法进行快速模态试验；其次，采用模态力锤对天线结构进行激励作为激励信号，同时利用加速度传感器采集天线结构上各测点的响应作为输出信号；利用便携式模态分析仪同时采集各测点的激励信号和输出信号并计算响应信号与激励点激励信号之间的频率响应函数(FRF)；最后，将这些FRF调入模态分析系统进行分析，得到天线结构的模态参数。
结合模态分析理论，将模态参数的变化与天线结构损伤的位置、机理对应起来，如表1所示，给出了模态参数变化与结构损伤之间的关系。依据表1中模态频率的变化趋势判断星载天线结构是否出现损伤及损伤形式、损伤程度；依据表1中模态振形变化判断星载天线结构出现损伤的位置。
表1基本模态参数与结构损伤的关系表
天线结构出现损伤也可能是多种损伤同时出现，这就需要根据具体情况，综合考虑模态参数的变化情况，反向推导损伤位置及机理。
以下以某卫星S/L/C天线损伤排查为例，描述该方法的具体实施方式。
(1)计算模态结果
在振动试验前，利用成熟的MSC.Nastran有限元分析软件建立了S/L/C天线结构的有限元模型(如图3)，计算了其结构模态特性，得到模态结果(如表2所示)。
表2有限元计算得到模态参数表
| 模态频率 | 模态振型 |
| F1＝50.41Hz | 天线绕Z轴转动模态 |
| F2＝55.4Hz | 天线局部模态 |
初步得到了某卫星S/L/C天线的一阶模态频率为50Hz左右。模态振型图如图4-5所示：
(2)试验模态结果
振动试验前利用便携式模态分析仪、力锤、ICP型加速度传感器等搭建快速模态试验系统，采用锤击法进行快速模态试验；利用最少的时间、最小的代价检测星载天线结构的基本模态参数；
根据星载天线结构的模态特性，选取合适的测试设备，搭建快速模态试验系统。某卫星S/L/C天线损伤排查时测试系统的数据采集仪采用了奥地利DEWETRON公司的DEWE-3021便携式模态分析仪。力锤采用KISTLER公司生产的模态力锤，型号9726A20000，频响范围5.4KHz。试验时采用了最软的橡胶头。数据采集软件采用DEWE-3021自带的DeweFRF6.5软件进行模态试验设置和FRF数据采集。模态分析系统采用了LMS公司的TEST.Lab.ModalAnalysis模态分析模块。该分析模块提供了锤击法(SIMO)、多点激励多点响应(MIMO)等成熟的模态参数识别方法。
根据上一节计算模态结果，将天线背筋的8个角点选择为测量节点，并粘贴传感器，具体位置如图6所示。
通过多次测试得到了试验前某卫星S/L/C天线的模态参数。试验前天线的模态频率、阻尼比、振型如表3：
表3试验前测试得到模态试验结果
| 序号 | 模态频率 | 阻尼比 | 振型描述 |
| 1 | 51.82 | 3.43％ | 天线绕Z轴转动模态 |
| 2 | 56.60 | 3.43％ | 天线局部模态 |
试验前天线的振型图如图6～7：
振动试验后，再次利用与振动试验前相同的快速模态试验系统测试其模态特性，试验后天线的模态频率及阻尼比如表4：
表4试验后测试得到模态试验结果
| 序号 | 模态频率 | 阻尼比 | 振型描述 |
| 1 | 44.80 | 3.12％ | 天线绕Z轴转动模态 |
| 2 | 48.03 | 2.30％ | 天线局部模态 |
振动试验后，天线的振型图8～9如下，可以看出，试验后天线模态频率明显下降；天线振形与试验前基本一致，但局部略有变化。
(3)天线结构前后状态模态结果对比
下表给出天线结构振动试验前后模态参数，对比结果如表5所示：
表5试验前后模态试验结果对比表
(4)损伤排查与诊断
由上述对比结果可知，试验后天线结构的模态频率下降约15％，振型图局部出现变化，对照表1，可以初步认定节点处发生脱胶，应予以检查处理。按照上述损伤定位与排查方法，对该天线结构上振形异常位置进行检查，发现节点3处附近的预埋件与反射面连接处发生脱胶损伤。之后，对此处损伤进行修补，并再次进行模态试验。修补后得到的天线结构模态参数如表6所示。修补后结构模态试验结果与理论分析结果、试验前测试结果基本一致。
表6损伤修补后模态试验结果
修补后天线的振型图如图10～11，可以看出修补后振型与试验前振型一致性很好。
(5)结论
对比试验前后结构的模态参数变化，以及修补损伤后的模态参数变化，完全可以证明损伤修补的有效性，同时也充分表明基于模态试验的星载天线损伤排查与定位方法的正确性与可行性。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (3)
1.一种基于模态试验的星载天线结构损伤快速排查方法，其特征在于实现步骤如下：
1)在振动试验前，对星载天线结构进行模态试验，检测星载天线结构的基本模态参数；所述星载天线结构的基本模态参数，包括模态频率和模态振形；
(2)在振动试验后再次进行模态试验，检测该星载天线结构模态参数；
(3)对比振动试验前后星载天线结构模态参数的变化，判断该星载天线结构是否出现损伤及损伤位置、损伤形式和损坏程度；所述损伤形式分为裂纹、开胶、局部开裂三类，所述损伤位置是指损伤发生的具体位置，位于连接位置、集中质量位置；所述损伤程度与损伤形式对应，分为轻微、中等、严重三种程度；
(4)如果星载天线结构出现损伤，则需要对星载天线结构进行修复；经过修复后，通过检测修复前后的星载天线结构基本模态参数变化，判断该星载天线结构修复是否有效。
2.根据权利要求1所述的基于模态试验的星载天线结构损伤快速排查方法，其特征在于：所述步骤(1)及步骤(2)中均通过快速模态试验系统对星载天线结构进行模态试验；所述快速模态试验系统由便携式模态分析仪、模态力锤、加速度传感器、模态分析系统组成；在天线结构的各测点上设置加速度测点和力锤激励点；采用模态力锤对天线结构进行激励作为激励信号，同时利用加速度传感器采集天线结构上各测点的响应作为输出信号；利用便携式模态分析仪同时采集各测点的激励信号和输出信号并计算响应信号与激励点激励信号之间的频率响应函数(FRF)；最后，将这些FRF送入模态分析系统进行分析，得到天线结构的模态参数。
3.根据权利要求1所述的基于模态试验的星载天线结构损伤快速排查方法，其特征在于：所述步骤(4)若该基本模态参数与振动试验前测得模态基本参数一致性较好，即模态频率误差在5％以内，则认为修复有效。
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