全弹结构振型斜率测试系统技术研究_路梓照.pdf

68环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT摘要：振型斜率测试结果可以为弹的姿态控制提供必要的控制参数，同时可以有效校核弹敏感元件如速率陀螺的安装位置是否合适。弹结构的舱段局部变形对结构的振型斜率参数有较大影响，因此，弹进行全弹模态试验以获取振型斜率参数十分必要。本文以弹为研究对象，从振型斜率测量原理、振型斜率测量系统设计等方面，完成了通过速率陀螺测量指定点角速度和加速度计测量参考点加速度的振型斜率试验系统的研究，为后续类似试验提供技术参考。关键词：模态试验；振型斜率；速率陀螺；加速度计中图分类号：V416 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0068-05全弹结构振型斜率测试系统技术研究Research on the Technology of Vibration Mode Slope Measurement System for the Missile Structures路梓照1,2，崔英伟1,2，高世阳3，孙立明1,2，贾业宁1,2（1.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300301；2.北京强度环境研究所，北京 100076；3.海装北京局驻天津地区第三军事代表室，天津 300301）LU Zi-zhao1,2,CUI Ying-wei1,2,GAO Shi-yang3,SUN Li-ming1,2,JIA Ye-ning1,2(1.Tianjin aerospace Reliability Technology Co.,Ltd,Tianjin 300301;2.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering Beijing 100076;3.Navy Equipment Department of Beijing Agency,No.3 Military Representative Office in Tianjin,Tianjin 300301)A b s t r a c t：The test results of mode shape slopes can provide the necessary control parameters for the attitude control of missile,and can effectively check whether the installation position of missile sensing elements such as rate gyroscope is appropriate.The local deformation of the cabin section of the missile structure has a great influence on the modal slope parameters of the structure.Therefore,it is necessary for the missile to conduct the whole missile modal test to obtain the modal slope parameters.In this paper,taking the missile as the research object,from the aspects of mode shape slope measurement principle,mode shape slope measurement system design,etc.,the research on the mode shape slope test system for measuring angular velocity at a designated point through a rate gyro and measuring reference point acceleration with an accelerometer is completed,which provides technical reference for subsequent similar tests.K e y w o r d s：modal test;mode shape slope;rate gyroscope;accelerometer引言弹的飞行是由飞控系统进行控制的，飞控系统根据姿态敏感元件（速率陀螺）传递的指令进行姿态控制，飞控系统通常需要敏感元件和伺服机构的振型斜率作为控制参数。一般要求敏感元件安装在局部结构变形变化不大的适当位置，如若放错了位置，则敏感元件将反映运载器结构方面的振动，而不能真实的反映运载器沿飞行轨道的运动，从而引起飞行试验的失败。因此，飞行试验前均需要得到振型斜率参数，以及对敏感元件的安装位置进行校核。692023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏弹结构可以近似简化为梁式结构，其主要模态振型为梁的自由弯曲模态，通过有限元仿真的方式可以得到较高质量的全局变形，由全局变形可以计算出敏感元件安装位置的振型斜率。但是对于大直径薄壁的弹结构，由于刚度不连续以及薄壳结构造成的局部变形，会造成局部的斜率突变，有限元仿真无法对真实的振型斜率进行预判。为获取精确的振型斜率数据，需要对弹进行全尺寸的振型斜率测试。为高质量、高效率进行全弹结构的振型斜率测试。本文完成了一套振型斜率测试系统设计，该系统可以提供两路（0 2 0 0 0）H z 的闭环振动激振。可以同时采集两路力载荷信号，多路加速度信号，以及多路陀螺信号。试验系统控制程序，具有高效的跟踪滤波算法，可以实时计算各信号的相位、幅值，实时输出多个测量位置的振型斜率。1 振型斜率测量原理按横向振动理论，若把弹视为轴对称结构，在直角坐标系下，振型斜率按下式计算 1：（1）式中：d V（y，z）弹横振 y 向和 z 向相对振型变化量；d L（x）弹纵轴（x）几何尺寸变化量。全弹模态试验时，若分别用速率陀螺和加速度计测量指定点的角速度和参照点的加速度，则振型斜率按下式计算：（2）式中：f 结构振动固有频率；指定点振动角速度；参照点振动加速度。根据各测量点的角度速率相当于特征点角速率的相位差来判别振型斜率符号，通常取特征点的振型斜率符号为负，相位差绝对值小于 9 0 时测点振型斜率的符号为负，相位差绝对值大于 9 0 时测点振型斜率的符号为正；当振型斜率特别点出现相位绝对值（8 5 9 5）的变化时，振型斜率的符号以“”给出 2。2振型斜率测量系统设计测量系统包括采集控制器、电磁激振器、功率放大器、速率陀螺、力传感器、加速度传感器、弹性悬吊系统 3,4。采集控制器具有跟踪滤波算法、自动斜率测试功能。振型斜率测量系统的设计如图 1 所示。图 1 测量系统组成示意图70环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT2.1 跟踪滤波算法正弦激励下的实测数据集为时间序列和幅值序列，实测数据中包括正弦激励产生的正弦响应以及采集噪声，信号中的正弦响应是斜率测试所需要的关键数据，为了获取有效的响应数据，需要对原始数据进行滤波，实测数据示例如图 2。如图 2 所示，正弦激励下各通道的正弦响应信号可以简化为如下形式：（3）正弦幅值为：（4）正弦相位为：（5）确定系数 A和 B使得 yi与 f（ti）的标准偏差 ri=f（ti；A，B）-yi最小,根据一定时长的实测数据可以采用最小二乘法对参数 A和 B进行拟合，拟合公式如下：（6）对数据进行滤波时，截取一定长度的实测数据，为了消除单次测量的随机误差，对数据进行拆分，取多次平均的结果。拆分数据后对行直流项剔除，根据上文方法拟合系数 A和 B。根据系数 A和 B生成标准正弦信号，由实测数据与拟合数据计算拟合方差，判定方差是否符合预期，符合预期方差时，取用拟合系数，计算出幅值P和相位，跟踪滤波算法流程图如图 3 所示，滤波效果见图 4。2.2 自动振型斜率测试功能振型斜率测试时，需要使结构处于典型模态的共振状态，自动斜率测试功能通过设定目标频率（通常由模图 2 实测数据图 4 滤波效果示意图 3 跟踪滤波算法流程图712023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏态试验和动力学仿真获取结构主要的弯曲模态频率和振型）在目标频率附近进行扫频激励，通过判定力传感器和加速度传感器的信号相位差（共振状态时加速度传感器与力传感器信号相位差绝对值为 9 0 ）判定结构共振的准确频率，在结构处于纯模态共振下进行振型斜率结果的测试，获取测试结果后更换测试频率，直到完成全部目标频率点的试验。自动振型斜率测试功能流程图见图 5 所示。3试验验证将试验件悬吊在弹性悬吊系统，调节弹性悬吊刚度，使得整体刚性频率低于一阶共振频率 1/6。在弹尖位置布置速率陀螺和加速度传感器，作为参考点，用于提供振图 5 自动振型斜率测试功能流程图型斜率计算公式中的参考点加速度和判断符号的角速率相位基准。在惯导安装位置、舵机安装位置等敏感元件布置位置安装速率陀螺作为测量点。根据结构动力学仿真或者模态试验结果，确定模态振型变形较大位置，布置加速度传感器，用于评估试验件的共振状态。在弹尖或尾部布置电磁激振器，同时布置力传感器实时反馈激振器产生的正弦力。将所有的传感器通过专用线缆连接至采集控制器，将控制器的信号输出端口连接至功率放大器。设置目标频率、扫频范围、力控制值、采样频率、滤波判断参数、平均次数、共振判定参数等测试参数。启动测试，开始正弦激励扫频，在目标频率上下限之间完成扫频，结构处于共振状态时，记录各通道数据，完72环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT通道名称滤波拟合系数 A滤波拟合系数 B拟合方差幅值相位斜率值斜率符号参考点(加速度)0.80-0.330.0210.87g346.57参考点(角速率)0.261.380.0711.41 /s87.95测量点(角速率)-0.49-0.0870.0390.49 /s199.150.160+成跟踪滤波后，实时计算出各个通道的幅值和相位。根据各测量通道的幅值和相位实时反馈出各测量点的振型斜率计算结果。逐个频率点完成以上流程，直到全部频率测试完成，记录数据，结束测试。图 6 为某型试验件，在共振频率为 2 4.9 1 H z 典型记录曲线。测试结果见表 1。4结论通过本试验技术的研究，形成了一套针对全弹结构的振型斜率测试试验系统。该系统具有高效的跟踪滤波算法，可以实时计算各信号的相位、幅值。具有自动振型斜率测试功能，实时输出多个测量位置的振型斜率，为后续进行类似试验提供技术参考。（a）参考点加速度信号（b）参考点角速度图 6 典型记录曲线表 1 典型振型斜率测量结果作者简介:路梓照（1990-），女，硕士，工程师，主要从事环境工程和结构强度可靠性技术领域研究工作。1 于海昌.大型火箭振动试验振型斜率测试方法 J.强度与环境,1996(3):46-53.2 QJ 3285A-2018,导弹与运载火箭模态试验方法S.3 焦舰,黄慧章,张明举等.运载火箭振型斜率测量系统研制 J.导航与控制,2020,19(2):92-96.4 QJ 2717.4-96,导弹与运载火箭模态试验振型斜率测量方法 S.参考文献: