一种新型构型卫星模态分析及试验研究

安洋+陈振兴+++毋冬梅

摘 要：该文中的卫星采用新型框架面板式构型，该构型卫星与运载采用新型四点连接的方式，而不是传统的包带连接方式。对该文中的卫星进行模态分析及试验，采用不同的安装基础进行多次模态试验，找出其中的差异，并进行相关比对分析。根据分析及试验获得框架面板式卫星的模态特性，判读卫星的模态特性是否满足运载要求，同时根据试验结果完善相关航天试验规范。

关键词：新型构型 模态分析 模态基础 模态试验

中图分类号：TU356 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0029-02

该文中卫星采用框架面板式构型，采用上面级直接入轨的发射方式。这种构型在国内还没有成熟的应用经验，与传统的卫星构型有较大的区别，属于一种全新研制的新型构型。

对于这种全新构型的卫星，需要对其进行模态分析，得到其模态特性，运载要求卫星的横向一阶频率不低于18 Hz。

传统卫星构型一般采用承力筒式构型或板式构型。与运载采用包带连接，模态试验时一般通过多个螺钉与试验基础连接。该文中卫星采用四点安装式连接，模态试验时仅采用4个M12的螺钉与基础连接。相对于包带的连接方式，存在着以下一些特点：连接螺钉数量少、螺钉间距大、单个螺钉受力大。

卫星模态试验的目的是确定卫星的固有动态特征（模态参数：固有频率、模态阻尼和振型等），用于验证和修改卫星的数学模型，校核动态响应预示结果的有效性和检查结构的模态特征是否符合设计要求。为了验证新型构型的力学特性，需对其进行相应的力学试验，该文主要研究这种新型构型的模态试验及其模态特性。

1 卫星构型简介

卫星采用框架面板式构型，框架面板式构型为一种以轻质框架和蜂窝板组成的卫星结构。框架构成主结构的骨架，承载集中力载荷，且直接与运载连接；蜂窝板一方面为设备提供安装面，另一方面为框架提供面内剪切刚度，二者相互加强，实现结构效率最优化。

该构型由星箭对接接头、蜂窝板和框架组成，蜂窝板和框架通过紧固件连接，其中框架由轻质杆件、杆件接头和底板支撑框组成，杆件和接头通过紧固件连接（图1）。

该型号卫星与运载采用新型四点连接的方式，而不是传统的包带连接方式，卫星与运载只有四个200 mm×150 mm的连接面，每个连接面上有一个分离装置，分离装置中有一根M12的螺栓，通过火工品爆炸分离解锁。

2 模态分析

采用大型通用有限元软件NASTRAN程序分析该卫星的力学特性，采用有限元软件PATRAN程序建立有限元模型。卫星的蜂窝板及帆板均采用四节点壳单元，多数单机采用实体单元模拟，部分小单机及小零件采用质量点模拟，卫星总质量为846 kg，模态分析频率见表1。

3 模态试验

3.1 模态试验规范及方法

该卫星装配完成后，进行了模态试验。根据航天试验规范，需将卫星固定在基础平面上，基础质量至少为试验件质量的5～10倍[2]，模态试验采用激振器激励的方法。

该新型结构卫星一共进行了三次模态试验，三次模态试验的差别主要在模态基础上。在卫星的主要节点上布置了16个三向传感器，1～4号点传感器位于卫星的安装脚。三次模态试验均采用激振器激励的方式，激励点和输入激励完全相同。

3.2 第一次模态试验

第一次模态试验中，基础为16块1 t的钢板层叠而成，钢板每块钢板之间均通过几十个螺栓连接，钢板平放在厂房地面上，卫星通过四个M12螺钉连接在最上面的钢板上。

第一次模态试验测试结果如表2所示。

3.3 第二次模态试验

第二次模态试验中，基础为17 t的整块钢板，钢板尺寸为3200 mm×1500 mm ×450 mm，钢板平放在厂房地面上，卫星通过四个M12螺钉连接在钢板上。第二次模态试验测试结果如表3所示。

3.4 第三次模态试验

第三次模态试验中，基础为某大学静载试验区的地基，地基为整体混凝土浇筑，重达100多t，卫星通过夹块连接到地基上，卫星通过四个M12螺钉连接在夹块上。第三次模态试验测试结果如表4所示。

4 三种试验结果比对分析

三次模态试验结果均有差异，尤其是横向频率差异较大，但是扭转频率相差较小，说明三次模态试验的基础对横向频率的影响较大，但是对扭转频率的影响较小。

通过对振型图的分析，第一次模态试验测试结果与理论分析值差异较大，横向振型图存在明显的刚体位移，证明测试得到的横向频率不能反映卫星的真实特性。在试验过程中怀疑卫星的四个安装脚与基础的连接刚度不足，于是将四个安装脚上的传感器贴在基础靠近卫星安装脚的地方，再次进行模态试验，结果与第一次模态试验的结果基本一致，证明卫星安装脚与基础的连接刚度很高。之所以测试值与分析值存在较大的差异，问题还是出现在基础上。分析认为：由于基础是由16块1 t的钢板螺接而成，相互之间的连接刚度不足，并不能等效为一个刚性整体，钢板与钢板之间的连接刚度损失严重影响了卫星的模态测试，使得测试值低于预期值。

第二次模态试验和第三次模态试验的横向振型没有明显的刚体位移，测试的结果与分析值较接近，但是第三次模态试验的横向频率略高于第二次模态试验的横向频率，分析认为主要是因为第三次模态试验的地基基础更好。与卫星后期的振动试验数据相比对，第三次模态试验的测试值更接近真实状态。第三次模态试验的方式将用于卫星后期的模态试验。

5 结论

框架面板式构型卫星具有明显的一阶横向振型和扭转振型，且一阶模态参与质量较高，横向一阶频率满足运载要求。

比对分析三次模态试验的结果，发现其中的差异，并进行相关分析。横向频率受基础的影响很大，整体基础的测试值高于分体连接的基础，并且基础质量越大，测试值越接近真实值。

根据卫星模态试验的航天试验规范（需将卫星固定在基础平面上，基础质量至少为试验件质量的5～10倍），该文中提到的三次模态试验均满足此要求，最小质量的基础是卫星质量的18.8倍，但是结果相差较大。根据三次模态试验的结果分析，完善已有的航天试验规范：卫星的模态试验，需将卫星固定在基础平面上，基础应为一个刚性较高的整体，基础质量至少为试验件质量的5～10倍，倍数越大，测试的结果更接近真实值。

参考文献

[1] 柯受全.卫星环境工程与模拟试验[M].北京：中国宇航出版社，1996.

[2] 李德葆.工程振动试验分析[M].北京：清华大学，2004.

[3] 施琪，徐家林.梁的模态分析试验研究[J].城市道桥与防洪，2010（4）：165-167.

摘 要：该文中的卫星采用新型框架面板式构型，该构型卫星与运载采用新型四点连接的方式，而不是传统的包带连接方式。对该文中的卫星进行模态分析及试验，采用不同的安装基础进行多次模态试验，找出其中的差异，并进行相关比对分析。根据分析及试验获得框架面板式卫星的模态特性，判读卫星的模态特性是否满足运载要求，同时根据试验结果完善相关航天试验规范。

关键词：新型构型 模态分析 模态基础 模态试验

中图分类号：TU356 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0029-02

该文中卫星采用框架面板式构型，采用上面级直接入轨的发射方式。这种构型在国内还没有成熟的应用经验，与传统的卫星构型有较大的区别，属于一种全新研制的新型构型。

对于这种全新构型的卫星，需要对其进行模态分析，得到其模态特性，运载要求卫星的横向一阶频率不低于18 Hz。

传统卫星构型一般采用承力筒式构型或板式构型。与运载采用包带连接，模态试验时一般通过多个螺钉与试验基础连接。该文中卫星采用四点安装式连接，模态试验时仅采用4个M12的螺钉与基础连接。相对于包带的连接方式，存在着以下一些特点：连接螺钉数量少、螺钉间距大、单个螺钉受力大。

卫星模态试验的目的是确定卫星的固有动态特征（模态参数：固有频率、模态阻尼和振型等），用于验证和修改卫星的数学模型，校核动态响应预示结果的有效性和检查结构的模态特征是否符合设计要求。为了验证新型构型的力学特性，需对其进行相应的力学试验，该文主要研究这种新型构型的模态试验及其模态特性。

1 卫星构型简介

卫星采用框架面板式构型，框架面板式构型为一种以轻质框架和蜂窝板组成的卫星结构。框架构成主结构的骨架，承载集中力载荷，且直接与运载连接；蜂窝板一方面为设备提供安装面，另一方面为框架提供面内剪切刚度，二者相互加强，实现结构效率最优化。

该构型由星箭对接接头、蜂窝板和框架组成，蜂窝板和框架通过紧固件连接，其中框架由轻质杆件、杆件接头和底板支撑框组成，杆件和接头通过紧固件连接（图1）。

该型号卫星与运载采用新型四点连接的方式，而不是传统的包带连接方式，卫星与运载只有四个200 mm×150 mm的连接面，每个连接面上有一个分离装置，分离装置中有一根M12的螺栓，通过火工品爆炸分离解锁。

2 模态分析

采用大型通用有限元软件NASTRAN程序分析该卫星的力学特性，采用有限元软件PATRAN程序建立有限元模型。卫星的蜂窝板及帆板均采用四节点壳单元，多数单机采用实体单元模拟，部分小单机及小零件采用质量点模拟，卫星总质量为846 kg，模态分析频率见表1。

3 模态试验

3.1 模态试验规范及方法

该卫星装配完成后，进行了模态试验。根据航天试验规范，需将卫星固定在基础平面上，基础质量至少为试验件质量的5～10倍[2]，模态试验采用激振器激励的方法。

该新型结构卫星一共进行了三次模态试验，三次模态试验的差别主要在模态基础上。在卫星的主要节点上布置了16个三向传感器，1～4号点传感器位于卫星的安装脚。三次模态试验均采用激振器激励的方式，激励点和输入激励完全相同。

3.2 第一次模态试验

第一次模态试验中，基础为16块1 t的钢板层叠而成，钢板每块钢板之间均通过几十个螺栓连接，钢板平放在厂房地面上，卫星通过四个M12螺钉连接在最上面的钢板上。

第一次模态试验测试结果如表2所示。

3.3 第二次模态试验

第二次模态试验中，基础为17 t的整块钢板，钢板尺寸为3200 mm×1500 mm ×450 mm，钢板平放在厂房地面上，卫星通过四个M12螺钉连接在钢板上。第二次模态试验测试结果如表3所示。

3.4 第三次模态试验

第三次模态试验中，基础为某大学静载试验区的地基，地基为整体混凝土浇筑，重达100多t，卫星通过夹块连接到地基上，卫星通过四个M12螺钉连接在夹块上。第三次模态试验测试结果如表4所示。

4 三种试验结果比对分析

三次模态试验结果均有差异，尤其是横向频率差异较大，但是扭转频率相差较小，说明三次模态试验的基础对横向频率的影响较大，但是对扭转频率的影响较小。

通过对振型图的分析，第一次模态试验测试结果与理论分析值差异较大，横向振型图存在明显的刚体位移，证明测试得到的横向频率不能反映卫星的真实特性。在试验过程中怀疑卫星的四个安装脚与基础的连接刚度不足，于是将四个安装脚上的传感器贴在基础靠近卫星安装脚的地方，再次进行模态试验，结果与第一次模态试验的结果基本一致，证明卫星安装脚与基础的连接刚度很高。之所以测试值与分析值存在较大的差异，问题还是出现在基础上。分析认为：由于基础是由16块1 t的钢板螺接而成，相互之间的连接刚度不足，并不能等效为一个刚性整体，钢板与钢板之间的连接刚度损失严重影响了卫星的模态测试，使得测试值低于预期值。

第二次模态试验和第三次模态试验的横向振型没有明显的刚体位移，测试的结果与分析值较接近，但是第三次模态试验的横向频率略高于第二次模态试验的横向频率，分析认为主要是因为第三次模态试验的地基基础更好。与卫星后期的振动试验数据相比对，第三次模态试验的测试值更接近真实状态。第三次模态试验的方式将用于卫星后期的模态试验。

5 结论

框架面板式构型卫星具有明显的一阶横向振型和扭转振型，且一阶模态参与质量较高，横向一阶频率满足运载要求。

比对分析三次模态试验的结果，发现其中的差异，并进行相关分析。横向频率受基础的影响很大，整体基础的测试值高于分体连接的基础，并且基础质量越大，测试值越接近真实值。

根据卫星模态试验的航天试验规范（需将卫星固定在基础平面上，基础质量至少为试验件质量的5～10倍），该文中提到的三次模态试验均满足此要求，最小质量的基础是卫星质量的18.8倍，但是结果相差较大。根据三次模态试验的结果分析，完善已有的航天试验规范：卫星的模态试验，需将卫星固定在基础平面上，基础应为一个刚性较高的整体，基础质量至少为试验件质量的5～10倍，倍数越大，测试的结果更接近真实值。

参考文献

[1] 柯受全.卫星环境工程与模拟试验[M].北京：中国宇航出版社，1996.

[2] 李德葆.工程振动试验分析[M].北京：清华大学，2004.

[3] 施琪，徐家林.梁的模态分析试验研究[J].城市道桥与防洪，2010（4）：165-167.

摘 要：该文中的卫星采用新型框架面板式构型，该构型卫星与运载采用新型四点连接的方式，而不是传统的包带连接方式。对该文中的卫星进行模态分析及试验，采用不同的安装基础进行多次模态试验，找出其中的差异，并进行相关比对分析。根据分析及试验获得框架面板式卫星的模态特性，判读卫星的模态特性是否满足运载要求，同时根据试验结果完善相关航天试验规范。

关键词：新型构型 模态分析 模态基础 模态试验

中图分类号：TU356 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0029-02

该文中卫星采用框架面板式构型，采用上面级直接入轨的发射方式。这种构型在国内还没有成熟的应用经验，与传统的卫星构型有较大的区别，属于一种全新研制的新型构型。

对于这种全新构型的卫星，需要对其进行模态分析，得到其模态特性，运载要求卫星的横向一阶频率不低于18 Hz。

传统卫星构型一般采用承力筒式构型或板式构型。与运载采用包带连接，模态试验时一般通过多个螺钉与试验基础连接。该文中卫星采用四点安装式连接，模态试验时仅采用4个M12的螺钉与基础连接。相对于包带的连接方式，存在着以下一些特点：连接螺钉数量少、螺钉间距大、单个螺钉受力大。

卫星模态试验的目的是确定卫星的固有动态特征（模态参数：固有频率、模态阻尼和振型等），用于验证和修改卫星的数学模型，校核动态响应预示结果的有效性和检查结构的模态特征是否符合设计要求。为了验证新型构型的力学特性，需对其进行相应的力学试验，该文主要研究这种新型构型的模态试验及其模态特性。

1 卫星构型简介

卫星采用框架面板式构型，框架面板式构型为一种以轻质框架和蜂窝板组成的卫星结构。框架构成主结构的骨架，承载集中力载荷，且直接与运载连接；蜂窝板一方面为设备提供安装面，另一方面为框架提供面内剪切刚度，二者相互加强，实现结构效率最优化。

该构型由星箭对接接头、蜂窝板和框架组成，蜂窝板和框架通过紧固件连接，其中框架由轻质杆件、杆件接头和底板支撑框组成，杆件和接头通过紧固件连接（图1）。

该型号卫星与运载采用新型四点连接的方式，而不是传统的包带连接方式，卫星与运载只有四个200 mm×150 mm的连接面，每个连接面上有一个分离装置，分离装置中有一根M12的螺栓，通过火工品爆炸分离解锁。

2 模态分析

采用大型通用有限元软件NASTRAN程序分析该卫星的力学特性，采用有限元软件PATRAN程序建立有限元模型。卫星的蜂窝板及帆板均采用四节点壳单元，多数单机采用实体单元模拟，部分小单机及小零件采用质量点模拟，卫星总质量为846 kg，模态分析频率见表1。

3 模态试验

3.1 模态试验规范及方法

该卫星装配完成后，进行了模态试验。根据航天试验规范，需将卫星固定在基础平面上，基础质量至少为试验件质量的5～10倍[2]，模态试验采用激振器激励的方法。

该新型结构卫星一共进行了三次模态试验，三次模态试验的差别主要在模态基础上。在卫星的主要节点上布置了16个三向传感器，1～4号点传感器位于卫星的安装脚。三次模态试验均采用激振器激励的方式，激励点和输入激励完全相同。

3.2 第一次模态试验

第一次模态试验中，基础为16块1 t的钢板层叠而成，钢板每块钢板之间均通过几十个螺栓连接，钢板平放在厂房地面上，卫星通过四个M12螺钉连接在最上面的钢板上。

第一次模态试验测试结果如表2所示。

3.3 第二次模态试验

第二次模态试验中，基础为17 t的整块钢板，钢板尺寸为3200 mm×1500 mm ×450 mm，钢板平放在厂房地面上，卫星通过四个M12螺钉连接在钢板上。第二次模态试验测试结果如表3所示。

3.4 第三次模态试验

第三次模态试验中，基础为某大学静载试验区的地基，地基为整体混凝土浇筑，重达100多t，卫星通过夹块连接到地基上，卫星通过四个M12螺钉连接在夹块上。第三次模态试验测试结果如表4所示。

4 三种试验结果比对分析

三次模态试验结果均有差异，尤其是横向频率差异较大，但是扭转频率相差较小，说明三次模态试验的基础对横向频率的影响较大，但是对扭转频率的影响较小。

通过对振型图的分析，第一次模态试验测试结果与理论分析值差异较大，横向振型图存在明显的刚体位移，证明测试得到的横向频率不能反映卫星的真实特性。在试验过程中怀疑卫星的四个安装脚与基础的连接刚度不足，于是将四个安装脚上的传感器贴在基础靠近卫星安装脚的地方，再次进行模态试验，结果与第一次模态试验的结果基本一致，证明卫星安装脚与基础的连接刚度很高。之所以测试值与分析值存在较大的差异，问题还是出现在基础上。分析认为：由于基础是由16块1 t的钢板螺接而成，相互之间的连接刚度不足，并不能等效为一个刚性整体，钢板与钢板之间的连接刚度损失严重影响了卫星的模态测试，使得测试值低于预期值。

第二次模态试验和第三次模态试验的横向振型没有明显的刚体位移，测试的结果与分析值较接近，但是第三次模态试验的横向频率略高于第二次模态试验的横向频率，分析认为主要是因为第三次模态试验的地基基础更好。与卫星后期的振动试验数据相比对，第三次模态试验的测试值更接近真实状态。第三次模态试验的方式将用于卫星后期的模态试验。

5 结论

框架面板式构型卫星具有明显的一阶横向振型和扭转振型，且一阶模态参与质量较高，横向一阶频率满足运载要求。

比对分析三次模态试验的结果，发现其中的差异，并进行相关分析。横向频率受基础的影响很大，整体基础的测试值高于分体连接的基础，并且基础质量越大，测试值越接近真实值。

根据卫星模态试验的航天试验规范（需将卫星固定在基础平面上，基础质量至少为试验件质量的5～10倍），该文中提到的三次模态试验均满足此要求，最小质量的基础是卫星质量的18.8倍，但是结果相差较大。根据三次模态试验的结果分析，完善已有的航天试验规范：卫星的模态试验，需将卫星固定在基础平面上，基础应为一个刚性较高的整体，基础质量至少为试验件质量的5～10倍，倍数越大，测试的结果更接近真实值。

参考文献

[1] 柯受全.卫星环境工程与模拟试验[M].北京：中国宇航出版社，1996.

[2] 李德葆.工程振动试验分析[M].北京：清华大学，2004.

[3] 施琪，徐家林.梁的模态分析试验研究[J].城市道桥与防洪，2010（4）：165-167.