CC BY
22<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 629.7.018.4:620.178.3
МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДАЛЬНОГО АНАЛИЗА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В. А. Берне1, В. Н. Лушин1, Д. А. Маринин2, Е. П. Жуков3
Новосибирский гоеударетвенный техничеекий универеитет Роееийекая Федерация, 630073, г. Новоеибирек, проеп. К. Маркеа, 20 2АО «Информационные епутниковые еиетемы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Роееийекая Федерация, 662972, г. Железногорек Краеноярекого края, ул. Ленина, 52 3ФГУП «Сибирекий научно-иееледовательекий инетитут авиации им. С. А. Чаплыгина» Роееийекая Федерация, 630051, г. Новоеибирек, ул. Ползунова, 21 E-mail: zh-ep@yandex.ru
Представлена методология модального анализа крупногабаритных космических конструкций, позволяющего определить характеристики собственных тонов колебаний с учетом влияния воздуха и компенсацией гравитации.
Ключевые слова: экспериментальный модальный анализ составных частей, математическая модель, влияние воздушной среды, система компенсации веса.
METHODOLOGY OF HYBRID COMPUTATIONAL-EXPERIMENTAL MODAL ANALYSIS OF LARGE TRANSFORMABLE CONSTRUCTIONS
V. A. Berns1, V. N. Lushin1, D. A. Marinin2, E. P. Zhukov3
Novosibirsk State Technical University
20, K. Marksa Av., Novosibirsk, 630073, Russian Federation 2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems
52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 3Siberian Aeronautical Research Institute Named after S. A. Chaplygin
21, Polzunov Street, Novosibirsk, 630051, Russian Federation
E-mail: zh-ep@yandex.ru
The presented methodology of large space structure modal analysis allows to define the eigentone characteristics with account for influences of the air and weight compensation.
Keywords: experimental modal analysis of component parts, mathematical model, air influence, weight compensation system.
Введение. Одним из этапов еоздания крупногабаритных транеформируемых конетрукций являетея разработка их раечетных динамичееких моделей, ие-пользуемых для обеепечения управляемоети и заданного ерока экеплуатации коемичееких аппаратов. Первоначально такие модели етроятея на оенове тех-ничеекой документации, а затем корректируютея по результатам экепериментального модального анализа изделий. Целью иепытаний являетея определение обобщённых маее, еобетвенных чаетот, форм и коэффициентов демпфирования еобетвенных тонов колебаний или, по-другому, модальная идентификация динамичееких еиетем.
Проведение модальных иепытаний крупногабаритных транеформируемых коемичееких конетрукций предетавляет большие трудноети, обуеловленные двумя факторами. Во-первых, большие габариты (де-еятки метров) и сложность конетрукции в орбитальной конфигурации требуют наличия еоответетвующе-го помещения и многоканальной еиетемы ебора данных. Во-вторых, необходимо еоздание еиетемы упругого вывешивания объекта при иепытаниях, не вно-
еящей приемлемых иекажений в определяемые дина-мичеекие характериетики. В работе [1] показано, как еиетема вывешивания влияет на точноеть определения модальных параметров. Так, для определения обобщённых маее в окреетноети еобетвенной чаетоты тона, еоетавляющей ± 2 % от чаетоты фазового резо-нанеа, е точноетью не ниже 5 %, чаетота колебаний объекта иепытаний на подвееке как жёеткого целого должна быть вдвое ниже чаетоты первого упругого тона колебаний конетрукции. Задача еоздания такой подвееки для иепытаний крупногабаритных тране-формируемых коемичееких конетрукций уеложняетея многократно, так как такие конетрукции могут иметь очень низкие еобетвенные чаетоты упругих колебаний. Эти факторы указывают на целееообразноеть модального анализа еоетавных крупногабаритных транеформируемых конетрукций по результатам ие-пытаний отдельных чаетей (подконетрукций) е поеле-дующим поетроением математичеекой модели изделия в целом. Следует отметить также, что еобетвен-ные чаетоты подконетрукций еущеетвенно выше еоб-етвенных чаетот конетрукции в еборе. Это, е одной
"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических, аппаратов
стороны, упрощает процесс модальных испытаний, а с другой - уменьшает влияние воздушной среды на динамические характеристики конструкций [2].
Построение математических моделей по результатам испытаний. Методология определения динамических характеристик конструкций по результатам испытаний их составных частей заключается в проведении модальных испытаний подконструкций, построении математических моделей подконструкций по результатам испытаний, построении полной математической модели всей конструкции на основании синтеза моделей подконструкций, определении динамических характеристик всей конструкции по полной математической модели. Неизвестными параметрами математических моделей являются матрицы инерции, жесткости и демпфирования. После того как для каждой подконструкции вычислены элементы матриц инерции и жесткости в физической системе координат, разрабатывается математическая модель всей конструкции, которая по своей структуре должна соответствовать реальной конструкции. Процедура составления матриц инерции и жесткости полной конструкции аналогична алгоритму формирования глобальных матриц в методе суперэлементов [3].
Методика модальных испытаний подконструкций построена таким образом, что упругие и инерционные характеристики определяются независимо от характеристик демпфирования. Для определения диссипа-тивных свойств используются соотношения между собственными и вынужденными монофазными колебаниями [4]. Такой подход не требует предварительного математического описания рассеяния энергии при колебаниях, что позволяет исключить влияние некорректного описания демпфирования [5].
Компенсация влияния воздушной среды. Предлагаемая методология компенсации воздушного демпфирования в модальных испытаниях предполагает определение характеристик демпфирования конструкций в воздушной среде, оценку воздушной составляющей демпфирования по результатам испытаний в барокамере и компенсацию этой составляющей демпфирования с помощью электромеханической следящей системы в модальных испытаниях подкон-струкций.
Компенсация сил гравитации. Описывается способ активной компенсации сил гравитации при проведении модальных испытаний крупногабаритных трансформируемых конструкций космического назначения методом приложения к локальным точкам конструкции векторов сил, равных весу фрагментов объекта испытаний и направленных противоположно силам гравитации. Для многоточечной компенсации сил гравитации применяются прецизионные электромеханические устройства, позволяющие при движении точек приложения сил (локальных центров масс) обеспечить постоянство значения и сохранить направление компенсационного воздействия за счёт измерения перемещений точек обезвешиваемого фрагмента, расчёта параметров силового воздействия и создания требуемых комбинаций сил исполнительными механизмами в реальном времени. Достоинством предлагаемого решения является то, что такая
система компенсации сил гравитации не вносит искажений ни в инерционные, ни в жесткостные характеристики объекта испытаний. Описываемые устройства позволяют совмещать в себе функции компенсации сил гравитации и функции многоточечного возбуждения колебаний объекта испытаний с измерением параметров движения точек приложения сил.
Библиографические ссылки
1. Влияние системы упругого вывешивания на точность результатов модальных испытаний летательных аппаратов / В. А. Бернс, А. В. Долгополов, Е. П. Жуков и др. // Вестник Самарс. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С. П. Королёва (национального исследовательского университета). 2016. Т. 15, № 1. С. 18-27.
2. Аминов В. Р. Определение влияния воздушной среды на колебания космической конструкции при наземных испытаниях // Космические исследования. 1999. Т. 37, № 5. С. 532-537.
3. Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений / В. А. Постнов, С. А. Дмитриев, Б. К. Ел-тышев и др. Л. : Судостроение, 1979. 288 с.
4. Бернс В. А. Модальная идентификация динамических систем на основе монофазных колебаний // Научный вестник НГТУ. 2010. № 3 (40). С. 99-109.
5. Кононенко В. О., Плахтиенко Н. П. Методы идентификации механических нелинейных колебательных систем. Киев : Наукова думка, 1976. 114 с.
References
1. Berns V. A., Dolgopolov A. V., Zhukov E. P., Marinin D. A. Vliyanie sistemy uprugogo vyveshivaniya na tochnost' rezul'tatov modal'nykh ispytaniy letatel'nykh apparatov [Influence of suspension system on the accuracy of the aircraft modal testing results] // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika S. P. Koroleva (natsional'nogo issledovatel'skogo universiteta). 2016. Vol. 15, no. 1. P. 18-27.
2. Aminov V. R. Opredelenie vliyaniya vozdushnoy sredy na kolebaniya kosmicheskoy konstruktsii pri nazemnykh ispytaniyakh [Determination of air influence on space structure oscillation in ground testing] // Kosmicheskie issledovaniya. 1999. Vol. 37, no. 5. P. 532-537.
3. Postnov V. A., Dmitriev S. A., Eltyshev B. K., Rodionov A. A.. Metod superelementov v raschetakh inzhenernykh sooruzheniy [Method of superelements in calculation of engineering structures]. Leningrad, Sudostroenie, 1979. 288 p.
4. Berns V. A. Modal'naya identifikatsiya dinamicheskikh sistem na osnove monofaznykh kolebaniy [Modal identification of the dynamic systems on the basis of monophasic vibrations] // Nauchnyy vestnik NGTU. 2010. no. 3 (40). P. 99-109.
5. Kononenko V. O., Plakhtienko N. P. Metody identifikatsii mekhanicheskikh nelineynykh kolebatel'nykh system [Methods of the mechanical nonlinear vibrating systems identification]. Kiev : Naukova dumka, 1976. 114 p.
© Бернс В. А., Лушин В. Н., Маринин Д. А., Жуков Е. П., 2016
