多轴变加速度场中载荷耦合表征方法及设计技术研究

It is very important to carry out ground load simulation test for space maneuver vehicle with high speed.The load on the space maneuver vehicle possesses the characteristic of high acceleration and high acceleration change rate.It is difficult to design the test load and to calculate the kinematics parameters. Aimed at the assigned project from NSAF, method and technology for the load design and implementation in tests on three-axis centrifuges will be investigated.The following research on theory and experiments are arranged: 1) For a three-axis centrifuge with high acceleration and acceleration change rate, the forward and inverse kinematics models will be established, parameters effect on the acceleration will be investigated, algorithm for the inverse problem will be developed and the input parameters for the centrifuge would be determined. 2) In the load field with varying acceleration, the dynamic characteristic of typical components will be explored, then a parametric study will be conducted to evaluate the effects of geometric and kinematic parameters on the dynamic properties of the components. 3) According to the dynamic properties of the typical components enduring 3D acceleration, key points or key areas will be determined, relationship between the test load and actual load will be established based on equivalent accelerations and equivalent strains, respectively. Then design method and criteria for test load will be proposed. 4) Experiments on the three-axis centrifuge will be carried out, test results will be compared with the results obtained in the actual fly environment and the performance of the theorem for the load design and the algorithm to calculate the input parameters would be tested. Finally, a software system with the functions of load design, response calculation and test simulation for three-axis centrifuge with high acceleration and acceleration change rate will be developed.Based on the research, it is expected that the bottleneck problems in the three-axis centrifuge tests will be solved and theoretical and technical references will be proposed for the simulation tests with high acceleration and acceleration change rate.

开展快速机动飞行器的地面载荷模拟试验具有重大需求背景。快速机动飞行载荷具有高加速度和高加速度变化率的特征，地面模拟试验面临试验载荷没有设计准则和设计方法；要实现预期加速度，输入的运动参数逆求解缺乏有效的求解算法。为此，本项目开展多轴变加速度场中载荷耦合表征方法及设计技术研究(NSAF明确目标课题）。拟开展的工作包括：1）研究三轴变加速度场中的载荷表征方法及运动参数求解问题，掌握高加速度和高加速度变化率的运动学逆问题解的存在性条件，建立相应的求解算法；2）研究典型构件在三维时变加速度场的响应分布特性，揭示运动参数、几何参数对构件动力学特性的影响规律；3）开展试验载荷设计方法研究并提出三轴离心试验载荷设计准则；4）研制三轴变加速度载荷环境的仿真设计软件并完成试验验证。项目的研究将解决三轴变加速度场载荷试验的瓶颈问题，为开展高加速度和高加速度变化率的载荷模拟试验提供理论和技术指导。

本项目针对NSAF明确目标课题，围绕高动态的三轴离心试验技术问题，开展多轴变加速度场中载荷耦合表征方法及设计技术研究。主要研究内容和成果包括：.（1）建立了三垂直轴离心机的运动学模型，分析了运动参数对加速度的影响，对于该运动学模型进行了求逆运算，解决高加速度和高加速度变化率条件下实现预期载荷的系统运动参数无法求解的问题。该模型可以便捷地退化为GLJ-3R型离心机运动学模型，也可方便地退化为两垂直轴离心机模型及传统稳态离心机模型，具有较广的使用范围。.（2）建立了典型试验件的刚柔耦合动力学模型，开展了典型试验件在飞行环境和离心试验环境中两种不同加速度场的动力学特性分析。结果表明大范围刚体运动使悬臂梁产生动力刚化效应或者动力柔化效应，针对不同的运动参数，系统会出现频率转向的特征，表明在高动态刚柔耦合环境下柔性体的动力学特性与静载荷环境下的特性具有显著差异。.（3）考虑到三轴离心环境与实际飞行环境不一致，分别基于位移响应等效和变形能等效原则进行了三轴离心环境与飞行环境的一致性研究，得到了典型试验件三轴离心试验载荷和飞行载荷之间的等效关系，并进行了算例验证。分别基于位移响应等效和变形能响应等效建立试验载荷与飞行载荷之间关系的方法可以方便地推广到其他边界条件的梁结构上。.（4）开展了三轴离心试验研究。设计了适用于GLJ-3R型高动态离心机的工装，优化了三轴离心试验的测试系统，搭建了梁和板的三轴离心试验响应测试系统，开展了典型载荷下结构的响应测试。试验结果与理论分析结果相一致。表明理论模型的计算结果可用于预测实验结果。. 本项目研究内容执行情况良好。在本项目的研究和资助下，课题组将本项目的研究方法推广到超重力离心机的研究上，开展了超重力离心机动力学建模和动特性分析。此外，在项目资助下课题组还开展了扁壳、桁架等结构的振动主动控制研究、具有几何非线性阻尼的高静低动刚度隔振器的增强隔振性能研究。