一種新型構型衛星模態分析及試驗研究

安洋+陳振興+++毋冬梅

摘 要：該文中的衛星采用新型框架面板式構型，該構型衛星與運載采用新型四點連接的方式，而不是傳統的包帶連接方式。對該文中的衛星進行模態分析及試驗，采用不同的安裝基礎進行多次模態試驗，找出其中的差異，并進行相關比對分析。根據分析及試驗獲得框架面板式衛星的模態特性，判讀衛星的模態特性是否滿足運載要求，同時根據試驗結果完善相關航天試驗規范。

關鍵詞：新型構型 模態分析 模態基礎 模態試驗

中圖分類號：TU356 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0029-02

該文中衛星采用框架面板式構型，采用上面級直接入軌的發射方式。這種構型在國內還沒有成熟的應用經驗，與傳統的衛星構型有較大的區別，屬于一種全新研制的新型構型。

對于這種全新構型的衛星，需要對其進行模態分析，得到其模態特性，運載要求衛星的橫向一階頻率不低于18 Hz。

傳統衛星構型一般采用承力筒式構型或板式構型。與運載采用包帶連接，模態試驗時一般通過多個螺釘與試驗基礎連接。該文中衛星采用四點安裝式連接，模態試驗時僅采用4個M12的螺釘與基礎連接。相對于包帶的連接方式，存在著以下一些特點：連接螺釘數量少、螺釘間距大、單個螺釘受力大。

衛星模態試驗的目的是確定衛星的固有動態特征（模態參數：固有頻率、模態阻尼和振型等），用于驗證和修改衛星的數學模型，校核動態響應預示結果的有效性和檢查結構的模態特征是否符合設計要求。為了驗證新型構型的力學特性，需對其進行相應的力學試驗，該文主要研究這種新型構型的模態試驗及其模態特性。

1 衛星構型簡介

衛星采用框架面板式構型，框架面板式構型為一種以輕質框架和蜂窩板組成的衛星結構。框架構成主結構的骨架，承載集中力載荷，且直接與運載連接；蜂窩板一方面為設備提供安裝面，另一方面為框架提供面內剪切剛度，二者相互加強，實現結構效率最優化。

該構型由星箭對接接頭、蜂窩板和框架組成，蜂窩板和框架通過緊固件連接，其中框架由輕質桿件、桿件接頭和底板支撐框組成，桿件和接頭通過緊固件連接（圖1）。

該型號衛星與運載采用新型四點連接的方式，而不是傳統的包帶連接方式，衛星與運載只有四個200 mm×150 mm的連接面，每個連接面上有一個分離裝置，分離裝置中有一根M12的螺栓，通過火工品爆炸分離解鎖。

2 模態分析

采用大型通用有限元軟件NASTRAN程序分析該衛星的力學特性，采用有限元軟件PATRAN程序建立有限元模型。衛星的蜂窩板及帆板均采用四節點殼單元，多數單機采用實體單元模擬，部分小單機及小零件采用質量點模擬，衛星總質量為846 kg，模態分析頻率見表1。

3 模態試驗

3.1 模態試驗規范及方法

該衛星裝配完成后，進行了模態試驗。根據航天試驗規范，需將衛星固定在基礎平面上，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍[2]，模態試驗采用激振器激勵的方法。

該新型結構衛星一共進行了三次模態試驗，三次模態試驗的差別主要在模態基礎上。在衛星的主要節點上布置了16個三向傳感器，1～4號點傳感器位于衛星的安裝腳。三次模態試驗均采用激振器激勵的方式，激勵點和輸入激勵完全相同。

3.2 第一次模態試驗

第一次模態試驗中，基礎為16塊1 t的鋼板層疊而成，鋼板每塊鋼板之間均通過幾十個螺栓連接，鋼板平放在廠房地面上，衛星通過四個M12螺釘連接在最上面的鋼板上。

第一次模態試驗測試結果如表2所示。

3.3 第二次模態試驗

第二次模態試驗中，基礎為17 t的整塊鋼板，鋼板尺寸為3200 mm×1500 mm ×450 mm，鋼板平放在廠房地面上，衛星通過四個M12螺釘連接在鋼板上。第二次模態試驗測試結果如表3所示。

3.4 第三次模態試驗

第三次模態試驗中，基礎為某大學靜載試驗區的地基，地基為整體混凝土澆筑，重達100多t，衛星通過夾塊連接到地基上，衛星通過四個M12螺釘連接在夾塊上。第三次模態試驗測試結果如表4所示。

4 三種試驗結果比對分析

三次模態試驗結果均有差異，尤其是橫向頻率差異較大，但是扭轉頻率相差較小，說明三次模態試驗的基礎對橫向頻率的影響較大，但是對扭轉頻率的影響較小。

通過對振型圖的分析，第一次模態試驗測試結果與理論分析值差異較大，橫向振型圖存在明顯的剛體位移，證明測試得到的橫向頻率不能反映衛星的真實特性。在試驗過程中懷疑衛星的四個安裝腳與基礎的連接剛度不足，于是將四個安裝腳上的傳感器貼在基礎靠近衛星安裝腳的地方，再次進行模態試驗，結果與第一次模態試驗的結果基本一致，證明衛星安裝腳與基礎的連接剛度很高。之所以測試值與分析值存在較大的差異，問題還是出現在基礎上。分析認為：由于基礎是由16塊1 t的鋼板螺接而成，相互之間的連接剛度不足，并不能等效為一個剛性整體，鋼板與鋼板之間的連接剛度損失嚴重影響了衛星的模態測試，使得測試值低于預期值。

第二次模態試驗和第三次模態試驗的橫向振型沒有明顯的剛體位移，測試的結果與分析值較接近，但是第三次模態試驗的橫向頻率略高于第二次模態試驗的橫向頻率，分析認為主要是因為第三次模態試驗的地基基礎更好。與衛星后期的振動試驗數據相比對，第三次模態試驗的測試值更接近真實狀態。第三次模態試驗的方式將用于衛星后期的模態試驗。

5 結論

框架面板式構型衛星具有明顯的一階橫向振型和扭轉振型，且一階模態參與質量較高，橫向一階頻率滿足運載要求。

比對分析三次模態試驗的結果，發現其中的差異，并進行相關分析。橫向頻率受基礎的影響很大，整體基礎的測試值高于分體連接的基礎，并且基礎質量越大，測試值越接近真實值。

根據衛星模態試驗的航天試驗規范（需將衛星固定在基礎平面上，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍），該文中提到的三次模態試驗均滿足此要求，最小質量的基礎是衛星質量的18.8倍，但是結果相差較大。根據三次模態試驗的結果分析，完善已有的航天試驗規范：衛星的模態試驗，需將衛星固定在基礎平面上，基礎應為一個剛性較高的整體，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍，倍數越大，測試的結果更接近真實值。

參考文獻

[1] 柯受全.衛星環境工程與模擬試驗[M].北京：中國宇航出版社，1996.

[2] 李德葆.工程振動試驗分析[M].北京：清華大學，2004.

[3] 施琪，徐家林.梁的模態分析試驗研究[J].城市道橋與防洪，2010（4）：165-167.

摘 要：該文中的衛星采用新型框架面板式構型，該構型衛星與運載采用新型四點連接的方式，而不是傳統的包帶連接方式。對該文中的衛星進行模態分析及試驗，采用不同的安裝基礎進行多次模態試驗，找出其中的差異，并進行相關比對分析。根據分析及試驗獲得框架面板式衛星的模態特性，判讀衛星的模態特性是否滿足運載要求，同時根據試驗結果完善相關航天試驗規范。

關鍵詞：新型構型 模態分析 模態基礎 模態試驗

中圖分類號：TU356 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0029-02

該文中衛星采用框架面板式構型，采用上面級直接入軌的發射方式。這種構型在國內還沒有成熟的應用經驗，與傳統的衛星構型有較大的區別，屬于一種全新研制的新型構型。

對于這種全新構型的衛星，需要對其進行模態分析，得到其模態特性，運載要求衛星的橫向一階頻率不低于18 Hz。

傳統衛星構型一般采用承力筒式構型或板式構型。與運載采用包帶連接，模態試驗時一般通過多個螺釘與試驗基礎連接。該文中衛星采用四點安裝式連接，模態試驗時僅采用4個M12的螺釘與基礎連接。相對于包帶的連接方式，存在著以下一些特點：連接螺釘數量少、螺釘間距大、單個螺釘受力大。

衛星模態試驗的目的是確定衛星的固有動態特征（模態參數：固有頻率、模態阻尼和振型等），用于驗證和修改衛星的數學模型，校核動態響應預示結果的有效性和檢查結構的模態特征是否符合設計要求。為了驗證新型構型的力學特性，需對其進行相應的力學試驗，該文主要研究這種新型構型的模態試驗及其模態特性。

1 衛星構型簡介

衛星采用框架面板式構型，框架面板式構型為一種以輕質框架和蜂窩板組成的衛星結構。框架構成主結構的骨架，承載集中力載荷，且直接與運載連接；蜂窩板一方面為設備提供安裝面，另一方面為框架提供面內剪切剛度，二者相互加強，實現結構效率最優化。

該構型由星箭對接接頭、蜂窩板和框架組成，蜂窩板和框架通過緊固件連接，其中框架由輕質桿件、桿件接頭和底板支撐框組成，桿件和接頭通過緊固件連接（圖1）。

該型號衛星與運載采用新型四點連接的方式，而不是傳統的包帶連接方式，衛星與運載只有四個200 mm×150 mm的連接面，每個連接面上有一個分離裝置，分離裝置中有一根M12的螺栓，通過火工品爆炸分離解鎖。

2 模態分析

采用大型通用有限元軟件NASTRAN程序分析該衛星的力學特性，采用有限元軟件PATRAN程序建立有限元模型。衛星的蜂窩板及帆板均采用四節點殼單元，多數單機采用實體單元模擬，部分小單機及小零件采用質量點模擬，衛星總質量為846 kg，模態分析頻率見表1。

3 模態試驗

3.1 模態試驗規范及方法

該衛星裝配完成后，進行了模態試驗。根據航天試驗規范，需將衛星固定在基礎平面上，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍[2]，模態試驗采用激振器激勵的方法。

該新型結構衛星一共進行了三次模態試驗，三次模態試驗的差別主要在模態基礎上。在衛星的主要節點上布置了16個三向傳感器，1～4號點傳感器位于衛星的安裝腳。三次模態試驗均采用激振器激勵的方式，激勵點和輸入激勵完全相同。

3.2 第一次模態試驗

第一次模態試驗中，基礎為16塊1 t的鋼板層疊而成，鋼板每塊鋼板之間均通過幾十個螺栓連接，鋼板平放在廠房地面上，衛星通過四個M12螺釘連接在最上面的鋼板上。

第一次模態試驗測試結果如表2所示。

3.3 第二次模態試驗

第二次模態試驗中，基礎為17 t的整塊鋼板，鋼板尺寸為3200 mm×1500 mm ×450 mm，鋼板平放在廠房地面上，衛星通過四個M12螺釘連接在鋼板上。第二次模態試驗測試結果如表3所示。

3.4 第三次模態試驗

第三次模態試驗中，基礎為某大學靜載試驗區的地基，地基為整體混凝土澆筑，重達100多t，衛星通過夾塊連接到地基上，衛星通過四個M12螺釘連接在夾塊上。第三次模態試驗測試結果如表4所示。

4 三種試驗結果比對分析

三次模態試驗結果均有差異，尤其是橫向頻率差異較大，但是扭轉頻率相差較小，說明三次模態試驗的基礎對橫向頻率的影響較大，但是對扭轉頻率的影響較小。

通過對振型圖的分析，第一次模態試驗測試結果與理論分析值差異較大，橫向振型圖存在明顯的剛體位移，證明測試得到的橫向頻率不能反映衛星的真實特性。在試驗過程中懷疑衛星的四個安裝腳與基礎的連接剛度不足，于是將四個安裝腳上的傳感器貼在基礎靠近衛星安裝腳的地方，再次進行模態試驗，結果與第一次模態試驗的結果基本一致，證明衛星安裝腳與基礎的連接剛度很高。之所以測試值與分析值存在較大的差異，問題還是出現在基礎上。分析認為：由于基礎是由16塊1 t的鋼板螺接而成，相互之間的連接剛度不足，并不能等效為一個剛性整體，鋼板與鋼板之間的連接剛度損失嚴重影響了衛星的模態測試，使得測試值低于預期值。

第二次模態試驗和第三次模態試驗的橫向振型沒有明顯的剛體位移，測試的結果與分析值較接近，但是第三次模態試驗的橫向頻率略高于第二次模態試驗的橫向頻率，分析認為主要是因為第三次模態試驗的地基基礎更好。與衛星后期的振動試驗數據相比對，第三次模態試驗的測試值更接近真實狀態。第三次模態試驗的方式將用于衛星后期的模態試驗。

5 結論

框架面板式構型衛星具有明顯的一階橫向振型和扭轉振型，且一階模態參與質量較高，橫向一階頻率滿足運載要求。

比對分析三次模態試驗的結果，發現其中的差異，并進行相關分析。橫向頻率受基礎的影響很大，整體基礎的測試值高于分體連接的基礎，并且基礎質量越大，測試值越接近真實值。

根據衛星模態試驗的航天試驗規范（需將衛星固定在基礎平面上，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍），該文中提到的三次模態試驗均滿足此要求，最小質量的基礎是衛星質量的18.8倍，但是結果相差較大。根據三次模態試驗的結果分析，完善已有的航天試驗規范：衛星的模態試驗，需將衛星固定在基礎平面上，基礎應為一個剛性較高的整體，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍，倍數越大，測試的結果更接近真實值。

參考文獻

[1] 柯受全.衛星環境工程與模擬試驗[M].北京：中國宇航出版社，1996.

[2] 李德葆.工程振動試驗分析[M].北京：清華大學，2004.

[3] 施琪，徐家林.梁的模態分析試驗研究[J].城市道橋與防洪，2010（4）：165-167.

摘 要：該文中的衛星采用新型框架面板式構型，該構型衛星與運載采用新型四點連接的方式，而不是傳統的包帶連接方式。對該文中的衛星進行模態分析及試驗，采用不同的安裝基礎進行多次模態試驗，找出其中的差異，并進行相關比對分析。根據分析及試驗獲得框架面板式衛星的模態特性，判讀衛星的模態特性是否滿足運載要求，同時根據試驗結果完善相關航天試驗規范。

關鍵詞：新型構型 模態分析 模態基礎 模態試驗

中圖分類號：TU356 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0029-02

該文中衛星采用框架面板式構型，采用上面級直接入軌的發射方式。這種構型在國內還沒有成熟的應用經驗，與傳統的衛星構型有較大的區別，屬于一種全新研制的新型構型。

對于這種全新構型的衛星，需要對其進行模態分析，得到其模態特性，運載要求衛星的橫向一階頻率不低于18 Hz。

傳統衛星構型一般采用承力筒式構型或板式構型。與運載采用包帶連接，模態試驗時一般通過多個螺釘與試驗基礎連接。該文中衛星采用四點安裝式連接，模態試驗時僅采用4個M12的螺釘與基礎連接。相對于包帶的連接方式，存在著以下一些特點：連接螺釘數量少、螺釘間距大、單個螺釘受力大。

衛星模態試驗的目的是確定衛星的固有動態特征（模態參數：固有頻率、模態阻尼和振型等），用于驗證和修改衛星的數學模型，校核動態響應預示結果的有效性和檢查結構的模態特征是否符合設計要求。為了驗證新型構型的力學特性，需對其進行相應的力學試驗，該文主要研究這種新型構型的模態試驗及其模態特性。

1 衛星構型簡介

衛星采用框架面板式構型，框架面板式構型為一種以輕質框架和蜂窩板組成的衛星結構?？蚣軜嫵芍鹘Y構的骨架，承載集中力載荷，且直接與運載連接；蜂窩板一方面為設備提供安裝面，另一方面為框架提供面內剪切剛度，二者相互加強，實現結構效率最優化。

該構型由星箭對接接頭、蜂窩板和框架組成，蜂窩板和框架通過緊固件連接，其中框架由輕質桿件、桿件接頭和底板支撐框組成，桿件和接頭通過緊固件連接（圖1）。

該型號衛星與運載采用新型四點連接的方式，而不是傳統的包帶連接方式，衛星與運載只有四個200 mm×150 mm的連接面，每個連接面上有一個分離裝置，分離裝置中有一根M12的螺栓，通過火工品爆炸分離解鎖。

2 模態分析

采用大型通用有限元軟件NASTRAN程序分析該衛星的力學特性，采用有限元軟件PATRAN程序建立有限元模型。衛星的蜂窩板及帆板均采用四節點殼單元，多數單機采用實體單元模擬，部分小單機及小零件采用質量點模擬，衛星總質量為846 kg，模態分析頻率見表1。

3 模態試驗

3.1 模態試驗規范及方法

該衛星裝配完成后，進行了模態試驗。根據航天試驗規范，需將衛星固定在基礎平面上，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍[2]，模態試驗采用激振器激勵的方法。

該新型結構衛星一共進行了三次模態試驗，三次模態試驗的差別主要在模態基礎上。在衛星的主要節點上布置了16個三向傳感器，1～4號點傳感器位于衛星的安裝腳。三次模態試驗均采用激振器激勵的方式，激勵點和輸入激勵完全相同。

3.2 第一次模態試驗

第一次模態試驗中，基礎為16塊1 t的鋼板層疊而成，鋼板每塊鋼板之間均通過幾十個螺栓連接，鋼板平放在廠房地面上，衛星通過四個M12螺釘連接在最上面的鋼板上。

第一次模態試驗測試結果如表2所示。

3.3 第二次模態試驗

第二次模態試驗中，基礎為17 t的整塊鋼板，鋼板尺寸為3200 mm×1500 mm ×450 mm，鋼板平放在廠房地面上，衛星通過四個M12螺釘連接在鋼板上。第二次模態試驗測試結果如表3所示。

3.4 第三次模態試驗

第三次模態試驗中，基礎為某大學靜載試驗區的地基，地基為整體混凝土澆筑，重達100多t，衛星通過夾塊連接到地基上，衛星通過四個M12螺釘連接在夾塊上。第三次模態試驗測試結果如表4所示。

4 三種試驗結果比對分析

三次模態試驗結果均有差異，尤其是橫向頻率差異較大，但是扭轉頻率相差較小，說明三次模態試驗的基礎對橫向頻率的影響較大，但是對扭轉頻率的影響較小。

通過對振型圖的分析，第一次模態試驗測試結果與理論分析值差異較大，橫向振型圖存在明顯的剛體位移，證明測試得到的橫向頻率不能反映衛星的真實特性。在試驗過程中懷疑衛星的四個安裝腳與基礎的連接剛度不足，于是將四個安裝腳上的傳感器貼在基礎靠近衛星安裝腳的地方，再次進行模態試驗，結果與第一次模態試驗的結果基本一致，證明衛星安裝腳與基礎的連接剛度很高。之所以測試值與分析值存在較大的差異，問題還是出現在基礎上。分析認為：由于基礎是由16塊1 t的鋼板螺接而成，相互之間的連接剛度不足，并不能等效為一個剛性整體，鋼板與鋼板之間的連接剛度損失嚴重影響了衛星的模態測試，使得測試值低于預期值。

第二次模態試驗和第三次模態試驗的橫向振型沒有明顯的剛體位移，測試的結果與分析值較接近，但是第三次模態試驗的橫向頻率略高于第二次模態試驗的橫向頻率，分析認為主要是因為第三次模態試驗的地基基礎更好。與衛星后期的振動試驗數據相比對，第三次模態試驗的測試值更接近真實狀態。第三次模態試驗的方式將用于衛星后期的模態試驗。

5 結論

框架面板式構型衛星具有明顯的一階橫向振型和扭轉振型，且一階模態參與質量較高，橫向一階頻率滿足運載要求。

比對分析三次模態試驗的結果，發現其中的差異，并進行相關分析。橫向頻率受基礎的影響很大，整體基礎的測試值高于分體連接的基礎，并且基礎質量越大，測試值越接近真實值。

根據衛星模態試驗的航天試驗規范（需將衛星固定在基礎平面上，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍），該文中提到的三次模態試驗均滿足此要求，最小質量的基礎是衛星質量的18.8倍，但是結果相差較大。根據三次模態試驗的結果分析，完善已有的航天試驗規范：衛星的模態試驗，需將衛星固定在基礎平面上，基礎應為一個剛性較高的整體，基礎質量至少為試驗件質量的5～10倍，倍數越大，測試的結果更接近真實值。

參考文獻

[1] 柯受全.衛星環境工程與模擬試驗[M].北京：中國宇航出版社，1996.

[2] 李德葆.工程振動試驗分析[M].北京：清華大學，2004.

[3] 施琪，徐家林.梁的模態分析試驗研究[J].城市道橋與防洪，2010（4）：165-167.