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激励模式对导弹振动响应传递特性的影响分析研究

更新时间:2016-07-05

导弹在高速飞行过程中,处于严重的噪声环境和动力装置引起的振动环境,而前者作用在导弹上后,激起结构的高频振动。因此,振动环境是导弹系统设计所要考虑的重要因素之一,导弹的振动环境不仅影响弹上仪器设备和弹体结构的性能,也影响发射设备和仪器的正常使用。

如今,毛毡材料的运用范围已经不拘泥于从前的范围。与刺绣、编织、扎染、拼贴和毛毡材料相结合的作品也很常见。

导弹研制过程中,通过振动环境试验尽量再现产品经历的真实环境,使产品在实际使用中可能发生的失效模式充分暴露,以考虑采用对应措施提高导弹在使用环境中的可靠性。因此,振动环境试验条件的制定成为关键技术。根据实测环境进行条件制定是最真实、最直接的方法,但是一般飞行试验中的振动测点非常有限,不可能覆盖所有关心位置,如何利用有限测点的数据,制定导弹各关心位置的振动环境条件是需要深入研究的问题。在此问题下,采用遥测数据和响应传递特性关系预示其他位置响应的方法应运而生。其中,最关键的问题是,响应传递特性并非结构的频率响应函数,而是在某一激励情况下,两个位置的频响函数的商,即其与激励特性相关。

关于传递特性方面的研究,学术界主要包括3个方面,分别为传递特性的影响因素、传递特性的分析和基于传递特性的环境预示。

学者们在边界条件和结构特点对传递特性的影响方面做出了较多的研究。陈长盛和王强等[1]针对螺栓刚度及预紧力对装配体模态、传递函数影响较大而在设备装配中因处理困难常被忽略问题,利用有限元计算、试验结合对比方法分析、研究。纪琳和黄震宇[2]以板-筋-板组合系统为研究对象,将加强筋视为板件结构的中间连接件,通过仿真分析计算,研究了加筋板的参数不确定性对筋板组合系统的功率流传递特性影响。艾延廷和武威[3]对阶梯型螺栓联接结构施加三组不同预紧力,分析不同被联接件形式下的螺栓联接结构进行模态分析和传递特性研究。孙靖雅和华宏星等[4]为提高系统隔振性能,研究摩擦阻尼在几何非线性条件下产生的迟滞阻尼(结构阻尼)对力传递特性影响。黄修长和冯国平等[5]利用传递矩阵法研究浮筏隔振系统下层隔振器和基座间插入周期结构机械滤波器后的传递特性和动态响应。

学者们在传递特性优化和分析方面也做出了较多研究。左曙光和蒋维旭等[6]针对车用驱动电机转矩波动引起悬架系统振动造成车内噪声的问题,提出通过改善悬架纵向和垂向振动传递特性实现减振优化。常丽等[7]通过计算获得机体的振动响应及传递特性,同时采用谱相关技术分析激励载荷施加部位与机体结构振动响应信号的频谱变化,找出复杂路径下影响振动信号传递的关键结构。王楷焱和史文库等[8] 针对一款全浮式商用车驾驶室悬置系统,通过ADAMS软件的交互式建模方法,建立了悬置系统的多体动力学模型。分别通过振动模态和传递特性两种方法对模型进行仿真分析,较全面地获得了驾驶室悬置系统的振动特性。韩旭等[9]应用功率流方法对一隔振系统的多维振动传递特性进行研究。

2) 频域谱形差异。噪声频域谱形选择为GJB谱形和平直谱两种,前者参考GJB 150.17A—2009《军用装备实验室环境试验方法-噪声试验》的规定谱形分布,如图2所示。

对于多激励输入情况,不仅需要考虑多个频响函数,还要根据各自由度上激励间的比例考虑这些频响函数的组合关系,这里所说的比例不仅是整体激励量级的比例,还包括在各频点上的激励量级比例。B处的未知响应与A处响应的加速度功率谱密度间的关系可以表示为

本文针对导弹结构动力学模型,分析了不同激励模式和同一激励模式下不同激励量级对响应传递特性的影响。通过研究,给出了激励特性对传递特性的影响规律和使用传递特性时的最佳方法。

综上所述,外部激励形式对响应传递特性的影响得到认可。目前学术界研究传递特性时,大部分都是在激励属性已知的情况下(如激励点位置已知或激励大小已知),获取传递特性,用于响应预示等方面。但是对于高超声速飞行的导弹,其外部激励为声压,一方面机理复杂,另一方面激励量级和谱形随空间和时间均不一致,因此目前对于导弹的结构响应的传递特性研究很少,亟需研究激励形式对导弹结构动响应传递特性的影响,为未来响应预示等方面的应用打下基础。

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1 传递特性

结构系统的动力学方程可以表示为

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(1)

4) 激励的时、空间组合差别的影响。工况2、3、4轴向分布差别和迎背风差别。3个工况的激励频域谱形一致,在激励轴向分布和迎背风面分布的差别进行组合。

通过对系统动力学方程进行变换处理可以得到系统的频率响应函数,公式如下:

(2)

其中,为第r阶固有频率,krmrcrξrφr分别为结构第r阶模态刚度、模态质量、模态阻尼、阻尼比和振型。

当系统在第i个自由度受到激励,在第j个自由度上的加速度响应的功率谱密度可以表示为

(3)

其中,SiSj分别为第i个自由度输入力的功率谱密度函数和第j个自由度上加速度响应的功率谱密度函数,Gji为自由度i到自由度j的加速度频率响应函数,与频率响应函数的关系表示为

(4)

因此,对于单激励输入情况,知道激励位置和某一位置A处的响应,就可以通过计算得到结构上其他位置B处的加速度功率谱密度为

(5)

其中,SBSA分别为未知响应位置处和已知响应位置处的加速度响应功率谱密度,G1为未知响应位置到激励位置的跨点加速度频率响应函数,G2为已知响应位置到激励位置的跨点加速度频率响应函数,其中称为从A处到B处的加速度响应功率谱密度的传递特性。

学者们在基于传递特性的环境预示方面也做出了一定的研究。朱长春等10]通过低量级随机激励下的振动环境试验,建立复杂结构的随机激励和随机响应试验结果的快速运行模型,利用该模型可以快速地计算结构在高量级随机激励下的响应以达到预测结构响应。王亮等[11]基于振动响应传递特性,研究了战术导弹飞行主动段力学环境预示的快速计算方法,根据类似型号外推方法得到新型号的发动机前裙的力学环境,再基于新型号的简单有限元模型获得指定位置的力学环境。

(6)

其中,GiA为已知响应位置到第i自由度的加速度频率响应函数,GiB为未知响应位置到第i自由度的加速度频率响应函数,δi为第i自由度上的激励与参考点激励的比例系数,其中 称为从A处到B处的加速度响应功率谱密度的传递特性。

2 导弹结构动力学模型

根据导弹的三维模型和参数,建立全弹的结构动力学模型。其中,采用实体单元模拟导弹各舱段的壳体、内部支架、发动机壳体和战斗部;采用集中质量单元模拟仪器;舱段间、仪器支架与舱壁连接均采用MPC连接进行定义。

从表1的参数设置可以发现,各工况综合考虑了全弹气动噪声激励在时、空间的差异,为研究传递特性影响,考虑如下:

3 激励工况设置

导弹在空中无动力滑翔飞行时,其外部气动噪声是弹体振动响应的激励来源。而气动噪声以分布脉动压力的形式作用在整个导弹外表面,这一激励形式是明确的,只是导弹不同部位的噪声量级及频域分布特性是难以确定的。因此,通过设置不同的导弹外部噪声激励情况,包括不同的激励量级和不同的激励频域谱形,研究其传递特性在不同激励情况下的变化。由于气动噪声量级沿流向逐渐减小,空间相关性沿流向逐渐增强,其衰减能力随间隔距离的减小而增加[12],因此本章在设置导弹不同区域的噪声量级时,考虑迎风面不小于背风面,导弹后部小于等于前部。

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激励施加时,选择了六种激励工况,如表1所示,考虑了以下因素:

1) 分区激励。根据导弹外形特点,将全弹气动噪声激励区域分为八个区域,分别为一锥、二锥、发动机和尾舱的迎风面和背风面,区域分布如图1所示。

临床路径教学是将临床路径引入临床教学中的方法,呼吸内科是一门学科迅速发展,疾病广泛,疾病复杂,治疗难度大的医学学科,相对于其他学科,患者病情更为复杂,要求呼吸科医护人员具有更全面的知识和技能,掌握呼吸道病理生理学和免疫学,呼吸系统疾病并发症等,但传统的教学模式较为乏味呆板,模式生硬,导致实习生得不到充分的知识掌握水平[7-11]。而临床路径的使用符合中国目前的医疗改革。将临床路径教学应用于临床教学,教学目标明确,规范了教学流程,可降低教学的随意性和盲目性,提高学生的学习成绩和操作能力[12]。

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3) 激励量级差异。设置各激励区域的声压级从160 dB变化到145 dB。

图1 全弹激励区域定义

图2 声压谱

根据舱段结构和侵彻体的空间尺寸和厚度,采用实体单元予以构建;各设备采用MASS单元予以模拟,通过实常数定义其质量特性。

1) 迎背风面激励差别的影响。工况1、2、5对比迎背风差别对比。3个工况均为相同的激励频域谱形,所有迎风面的激励量级相同;另外,工况1为所有导弹背风面的激励量级与迎风面相同,为160 dB,而工况2和工况5表现在所有背风面,激励量级较工况1低,分别为150 dB和155 dB。

2) 激励沿轴向激励量级差别的影响。工况1、3轴向分布差别。两个工况均为各舱段的迎风面和背风面激励相同;而工况3较工况1,表现为激励量级沿弹体轴向变化,从一锥的160 dB,变化到二锥的155 dB,再到发动机段的150 dB,最后到尾舱的155 dB。

3) 激励频域谱形差别的影响。工况1、6谱形差别。工况1和工况6的激励量级相同,而在激励的频域谱形存在差异,前者为GJB的推荐梯形谱,而后者为平直谱。

其中,KMCF为结构的刚度、质量、阻尼和激励力矩阵,X为各自由度位移响应。

表1 激励工况

编号谱形量级/dB一锥迎风背风二锥迎风背风发动机平直段迎风背风尾舱平直段迎风背风1GJB谱1601601601601601601601602GJB谱1601501601501601501601503GJB谱1601601551551501501551554GJB谱1601501551451501401551455GJB谱1601551601551601551601556平直谱160160160160160160160160

4 计算结果对比分析

根据定义的模型和设置的工况,进行各工况下的关键节点的频率响应计算,并与导弹飞行试验中加速度测点位置的频率响应做传递曲线。其中典型的传递特性曲线如图3所示,为尾舱前端框Ⅱ象限节点至各遥测测点传递。图3的(a)到(d)分别为尾舱前端框Ⅱ象限至导弹沿弹体轴线从前向后各遥测振动测点位置的加速度响应传递特性曲线。

图3 尾舱前端框Ⅱ节点至各遥测测点传递

分析图3可以得到:

1) 在各激励工况下,同一节点至相同位置的响应传递曲线基本一致。曲线在频域上趋势一致,在谐振峰位置基本吻合,尤其如图3(d);

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2) 在各激励工况下,同一节点至不同位置的响应传递曲线的一致性存在差异。曲线差异表现在距离节点越近的测点的传递一致性越好,曲线在不同工况下的传递的谐振峰存在一定的差异。跨度较小的响应传递特性,如图3(d),主要受结构动特性影响,因此表现出不同激励量级下,传递特性曲线基本吻合;而跨度较大的响应传递特性,如图3(a)~图3(c),不仅受结构动特性影响,还收到不同区域激励差异的影响,因此表现出在不同激励量级下,传递特性曲线趋势一致,但在谐振峰处存在一定的差异。

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5 结论

本文针对导弹结构动力学模型,分析了不同激励模式和同一激励模式下不同激励量级对响应传递特性的影响,给出了激励特性对传递特性的影响规律和使用传递特性时的最佳方法。

通过研究,发现两个位置间的响应传递特性与激励位置相关性较强;两个响应位置越靠近,其传递特性受激励位置的影响越小;对于激励形式比较一致的工况,传递特性基本一致。同一节点至不同位置的响应传递曲线的差异性与距离跨度有关;在使用传递特性和已知响应预示其他位置的响应时,应使用靠近已知响应位置的传递特性,即使用跨度小的传递。

参考文献:

[1] 陈长盛,王强,柳瑞锋.螺栓连接对结构模态及传递特性影响研究[J].振动与冲击,2014,33(2):178-182.

[2] 纪琳,黄震宇.连接界面不定性对于加筋板结构振动能量传递特性的影响分析[J].振动与冲击,2015,34(21):184-187.

[3] 艾延廷,武威,田晶.被联接件形式对结构模态及传递特性影响的研究[J].科学技术与工程,2014,14(4):46-50.

[4] 孙靖雅,华宏星,肖锋.非线性迟滞阻尼对隔振系统力传递特性影响[J].振动与冲击,2014,33(10):131-136.

[5] 黄修长,冯国平,张志谊.周期结构机械滤波器对浮筏隔振系统传递特性的影响[J].噪声与振动控制,2010(4):9-12.

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[13] 范宣华,于晨阳,王柯颖,等.大规模单点基础激励随机振动分析及并行计算[J].重庆理工大学学报(自然科学),2017(10):56-61.

王亮,张妍,蔡毅鹏,周剑波,南宫自军
《兵器装备工程学报》2018年第5期文献

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