神州号宇宙飞船移动发射架模态试验分析

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橡胶头，响应用 891-Ⅱ型速度传感器，用橡皮泥粘接。用变时基方法进行采样。图 3 为发射 平台测点布置图。
图3
移动发射平台架测点布置图
为了能将锤击能量集中在低频段，在被锤击点加了一块厚 1.2 厘米，长 35 厘米，宽 20 厘 米的橡胶垫，用胶布贴在上面，每个测点敲三下，逐点移动传感器，68 个测点上用同一个传 感器测量同一方向的振动，这样每个测点的传感器灵敏度都一样。避免因传感器多，灵敏度误 差大造成的模态动画不协调。 图 4 为经过激励后第 51 测点的力信号和响应信号， 因用 DLF-6 型放大器通道的滤波频率 和响应通道的滤波频率都一样，因此力信号出现逐渐衰减的振荡信号，这是正常现象，不影响 采样精度和分析精度。只是在分析时加力窗，要将所有的力振荡衰减信号都放在力窗内，使其 都参与计算，这样力信号并未损失。图 5 为第 51 测点的变时基传递函数图。
F (ω ), X (ω ) 分别激振力{f(t)}和位移响应向量{x(t)}的付氏变换：
F (ω ) = ∫ f (t )e − jωt dt
−∞ +∞
( jω )2 [M ]{X (ω )} +
jω [C ]{X (ω )} + [K ]{X (ω )} = {F (ω )
， x(ω ) =
−1
图 8 发射平台三阶模态振型图
图 9 发射平台四阶模态振型图
图 10 发射平台五阶模态振型图
图 11 发射平台六阶模态振型图
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图 12 发射平台七阶模态振型图
图 13 发射平台八阶模态振型图
六、结
论
1.用高弹性力锤加变时基分析方法做大型结构的低频模态是一种很好的方法。力信号采 样频率高，点多，幅值分辨率提高。响应采样频率低，使频率分辨率提高。 2.单一传感器逐点移动，作为响应信号，不但可以节省传感器的个数和放大器通道，而 因传感器灵敏度一致，做出模态的效果很好。用逐点移步法成本低，操作方便是值得推广的方 法。 3.本次宇宙飞船发射平台的模态分析，得到了前八阶模态的频率、阻尼比、留数、振型等 全部模态参数。其中一阶模态为刚体平动，二阶为一扭，三阶为二扭，四阶为三扭，五阶为一 弯，六阶为一鼓，七阶为二鼓，八阶为二弯带三鼓。对今后改进结构设计有较好的参考价值。
H 1 p (ω ) = ∑
n
i =1
− ω M i + j ωC i + K i
2
（4）
式中 φli ,φ pi 为l , P 点振型元素，从而对结构上一点激振，多点测量响应，即可得到传递函数矩 阵的某一列，进而计算出模态参数。
三、测试仪器设备
本次试验的仪器设备有： ① INV-306DF 型智能信号采集处理分析系统一套。 ② DLF-6 型六通道电荷电压放大抗混滤波带积分功能四合一放大器一台。 ③ DFC-1 型高弹性聚能力锤一把，12.5T 力传感器一个，力锤用 5 公斤配重两个。 ④ 891-Ⅱ型速度传感器一些。 试验仪器设备连接示意图如图 2 所示：
一、前
言
作为国家重大工程的重要设备，宇宙飞船移动发射平台，制造完成后，需要检验计算模 态的参数选择的合理性，并以实测模态加以验证。应航天部某研究所的邀请，北京东方振动和 噪声技术研究所在某基地对自重近千吨刚生产出来的宇宙飞船发射平台进行模态试验， 并取得 了圆满成功。火箭和飞船安装在移动发射平台上，见图 1 所示，图中是它们正在移动的情形。
（2）
∫
+∞Leabharlann x(t )e − jωt dt
令
[H (ω )] = (− ω [M ] + jω [C ] + [K ])
2
−∞
则（2）式可简化为：
H (ω ) 为传递函数矩阵。
{X (ω )} = [H (ω )]{F (ω )}
φliφ pi
（3）
对系统 P 点进行激励并在 l 点测响应，可得传递函数矩阵中第 P 行 l 列元素为：
移动发射平台
图1
火箭移动发射平台示意图
二、试验模态分析的基本原理
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一般结构系统可离散为一种具有 N 个自由度的线弹性系统，其运动微分方程为：
} + [C ]{x } + [K ]{x} = { f (t )} [M ]{ x
（1）
式中质量、阻尼、刚度矩阵[ M ]、[ C ]、[ K ] 为实对称矩阵，[ M ]正定，[ K ]、[ C ] 正 定或半正定。[ M ]、[ C ]、[ K ]已知时，可求得一定激励{f(t)}下的结构响应{x(t)},方程 （1）两端经付氏变换，可得：
891-Ⅱ型 速度传感器 DFC-1 型 高弹性聚能力锤 DLF-6 型 四合一 放大器 INV-306DF 智能信号采 集处理分析 系统 图 2 仪器设备连接示意图 DASP 模 态 信号处理分 析软件包 硬盘记录 终端显示 CRT 打印
四、试验方法及过程
本次试验主要用单点激励多点响应的测试方法，激励用 DFC-1 型高弹性聚能力锤并配带
图 4 经过激励后第 51 测点的力信号和响应信号
图5
第 51 测点的变时基传递函数图
五、分析结果
测得 68 点水平向的力信号和响应信号，69 点以上的几何结点是支腿，实际没测，而是跟 着发射平台整体来动的。用 DASP 智能信号处理分析软件包中的变时基传递函数分析，得到 全部传函的实部虚部、相位、相干及导纳值就可以进行模态分析。通过参数设置，原点导纳定 在第 8 点。考虑到要分清水平向的刚体模态和自身弯曲模态，因此，结构生成分五个部分，包 括圆型图在内，都是直角坐标。通过连线将五个部分连起来，如图 3 所示。再经过集总平均、 收取模态阶数、模态拟合、振型编辑、最后振型动画，得到各阶模态，本次试验共得到 8 阶模
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神舟号宇宙飞船移动发射平台模态试验分析
应怀樵 赵增欣 刘进明 沈松 （北京东方振动和噪声技术研究所，北京，100085）
摘要：用高弹性聚能力锤和变时基传函方法以及传感器逐点移步法做神舟号宇宙飞船发 射平台模态分析是一种效率高而且成本低的好方法，用这种方法做出的各阶模态都比较协调， 值得推广。 关键词：宇宙飞船发射平台；模态分析；高弹性力锤；变时基方法；逐点移步法 Abstract: Modal experiment of the Shenzhou Spacecraft mobile launcher are carried out, in which the high-energy-accumulated elastic impacting hammer, the varied-time-base method and the transducer roving approach have been used. It proves that the method is time-efficient and money-saving. The modal shapes of the launcher is highly harmonious. This method is worth popularizing. Key words: the spacecraft launcher; modal analysis; high-energy-cumulated hammer; varied-time-based method; transducer roving
参 考 文 献
〔1〕应怀樵．振动测试和分析．北京：中国铁道出版社，1979 〔2〕应怀樵．波形和频谱分析与随机数据处理．北京：中国铁道出版社，1983 〔3〕东方振动和噪声技术研究所：DASP2005 专业版使用说明书， 2005，6
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态，模态振型图如图 6～图 13 所示，表 1 为各阶模态的振型表。考虑到保密的原因，测试和 分析的所有数值都未列出。
表1 模态阶数 振型 1 平动 2 一扭 发射平台模态的振型表 3 二扭 4 三扭 5 一弯 6 一鼓 7 二鼓 8 二弯一
图 6 发射平台一阶模态振型图
图 7 发射平台二阶模态振型图