某型衛星的隨機振動仿真預測與試驗驗證

胡利鴻，郭 濤，謝 鑫，李杰偉

（成都星時代宇航科技有限公司，四川 成都 610041）

引言

衛星一般通過運載火箭發射到預定軌道上，而運載火箭在飛行過程中會承受復雜的振動載荷[1]，在研制過程中要進行復雜的力學環境試驗[2-3]。隨機振動是小型衛星發射過程中需要經歷的重要力學環境，鄧衛華等[4]從理論和試驗兩方面對比分析了隨機振動環境和噪聲環境的特點及環境試驗的效果，得出隨機振動試驗比噪聲試驗更適合于小衛星的結論。

關于衛星振動的相關研究得到了國內外航天領域研究者的大量關注[5-8]。但對衛星的仿真和試驗對比分析研究則相對較少，因此本研究采用隨機響應分析法對自主研發的第四代AI 衛星的結構進行仿真分析，在得到結構的均方根加速度基礎之上，對衛星樣機進行隨機振動試驗驗證，分析測得的衛星振動數據。進一步地，對仿真與試驗結果進行對比分析探討。

1 衛星有限元模型

衛星三維模型見圖1，主要由衛星主體、太陽翼、分離底座、星上設備組成。

圖1 衛星模型

基于三維模型，建立衛星的有限元模型，結構之間的螺接簡化為固定約束，衛星上的設備采用質量點耦合到對應安裝面的形式進行加載，并約束分離底座的四個安裝角的六個自由度。

2 隨機響應分析結果

將表1 所示的隨機振動試驗條件分別加載到衛星模型的三個方向上，并在有限元模型上建立如圖2所示的11 個觀測點（F1～F11），所建立的觀測點與后續試驗中加速度計安裝位置保持一致。

表1 衛星隨機振動試驗條件

圖2 仿真觀測點位置

得到觀測點位置加速度均方值見圖3，并計算得到各觀測點的均方根加速度見表2。

由圖3 可以看出，衛星在隨機振動試驗條件激勵下，觀測點三個方向的加速度均方值均是呈上升、波動而后趨于平緩的走勢。且不同觀測點在同一方向上的曲線走勢基本一致，只是不同觀測點的振動幅值大小不同。振動幅值最大值位于150 Hz～800 Hz，這是由于衛星隨機振動激勵在150 Hz 達到了最大值，且150 Hz 與衛星主體結構的一階振動頻率138.21 Hz非常接近，因此衛星的振動在這個頻率范圍附近存在明顯放大，且響應隨激勵的下凹而出現振蕩。由表2可以得出，X 方向隨機響應最大值為測點F2 的16.59 g，Y 方向隨機響應最大值為測點F1 的14.65 g，Z 方向隨機響應最大值為測點F3 的8.97 g，各測點的整體響應相對較小，證明衛星具有良好的抗振性能，能夠確保衛星上安裝設備的可靠運行。

圖3 觀測點各向加速度均方值

表2 仿真計算的各測點均方根加速度 單位:g

3 隨機振動試驗

3.1 試驗準備

在數值模擬的基礎上，進一步開展衛星的隨機振動試驗研究。將衛星與振動試驗臺通過螺栓剛性連接，在與圖2 對應的位置分別安裝一組三向加速度傳感器。

3.2 試驗結果分析

隨機振動試驗在衛星的三個正交軸向分別進行激振，對試驗各測點響應的均方根加速度進行統計并與仿真得到的測點均方根加速度對比，見表3。試驗得到X 向隨機響應最大在測點F7 為16.78 g，Y 向隨機響應最大在測點F3 為16.6 g，Z 向隨機響應最大在測點F4 為13.4 g，各方向振動試驗后衛星綜合電測正常，滿足結構設計要求。

表3 隨機振動試驗和仿真中各測點的均方根加速度值

對比試驗和仿真數據可以看到，仿真與試驗得到的均方根加速度最大值不在同一測點，可能是仿真建模時模型簡化導致的，建模過程中將衛星內部安裝的各類電子設備簡化為質量點耦合到相應的安裝位置，雖能反應結構得質量特性，但質量點與電子設備的質心位置仍會存在一定差異，簡化后對結構的振動信號傳遞存在一定的影響，使得仿真得出的最大均方根加速度測點位置與試驗結果存在差異。仿真分析得到的部分測點數值與試驗數值非常接近，如測點F10 的Y向、F11 的X 向和Y 向等，從整體來看，仿真得到具有最大值的測點與試驗雖有一定差異，但仿真與試驗得到的最大值能夠很好的對應，因此仿真仍能反應部分結構的振動特性。

隨機振動試驗后，衛星整體結構無變形和破裂，各連接件無松動和脫落，被試衛星隨機振動試驗通過。

4 結論

本研究對自主研發的第四代AI 衛星結構進行了有限元仿真分析和隨機振動試驗驗證。得到主要結論有：

（1） 隨機振動仿真結果顯示，X 方向隨機響應最大的在測點F2 的16.59 g，Y 方向隨機響應最大的在測點F1 的14.65 g，Z 方向隨機響應最大的在測點F3 的8.97 g，各測點的整體響應相對較小，衛星具有良好的抗振性能，能夠確保衛星上安裝設備的可靠運行。

（2） 仿真和試驗的振動均方根加速度最大值能夠很好的對應。仿真結果能夠較好的預測衛星結構在隨機振動工況下的振動特性，試驗結果確認了仿真結果的正確性，驗證了衛星結構的抗振性能。