一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法
【专利摘要】本发明公开了一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法。现有运载火箭模态识别主要采用工程方法进行，对于具有复杂模态交联特性的大型液体捆绑火箭，直接应用可能会带来一定的误差。本发明依据弹性振动理论，建立了模态质量与节点位移之间的关系式，提出了运载火箭复杂模态判别依据，与现在工程应用的判别依据相比，理论基础更加可靠、判别精度更高；同时，采用本发明的方法计算得到的局部模态质量与整体模态质量在数值上差别更大，依据模态质量相对大小判别局部模态的精度也比传统的工程方法有一定提高，从而为大型液体捆绑火箭复杂模态识别提供了理论依据。
【专利说明】一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复杂模态识别方法，尤其涉及一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法，属于运载火箭总体领域。
【背景技术】
[0002]较现役及在研的运载火箭，大型液体捆绑火箭的尺寸和重量增大，且捆绑了液体助推器，火箭低频模态密集、纵横扭耦合现象严重，不仅对火箭结构动力学建模、模态试验及模型修正技术提出了更高的要求，而且模态交联的特点也给模态识别及模态质量计算带来了难题。
[0003]现有火箭模态识别主要采用工程方法进行:对于某一阶模态，以火箭顶端节点的6个方向位移(3个平动位移和3个转动位移)中绝对值最大者来确定模态类别，如顶点在Y方向的位移绝对值最大，贝1J此阶模态属于Y方向的横向振动模态。此种方法并未建立在严格的理论推导上，对于具有复杂模态交联特性的大型液体捆绑火箭，直接应用可能会带来
一定的误差。
[0004]现有工程方法在识别局部模态时，主要是将振型归一化，并依据模态质量的相对大小确定。对于运载火箭若干阶模态质量，模态质量在数量级明显要比其他大的，就判别为局部1旲态。此种局部1旲态的识别方法精度有待提闻。
[0005]对于局部模态的识别，文献《Effectsof local vibrations on the dynamics ofspace truss structures))用最大整体振幅与在同一模态下单个元件振幅的比值识别大型桁架结构的局部模态，较利用模态质量识别局部模态方法精度差；文献《用模态质量分布识别局部模态》采用模态质量空间分布方法识别大型桁架结构的局部模态，此种方法需要计算出模态质量在空间上的分布，对于复杂系统，其模态质量在三维空间上分布的计算过程将十分繁琐，同时计算结果显示不方便，会给模态识别增加困难。文献《Effects of localvibrations on the dynamics of space truss structures〉〉和文献〈〈用模态质量分布识别局部模态》所介绍的方法可以识别局部模态，但是对模态属于哪个方向的振动判别较难。
【发明内容】
[0006]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法，加深了理论基础，提高了判别精度。
[0007]本发明的技术方案是:一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法，包括如下步骤:
[0008](I)根据运载火箭的梁一质量点有限元模型的动特性分析结果，提取出飞行状态中某一时刻有限元模型中各个节点的质量特性行阵组成的质量特性矩阵Ms、某阶模态下各个节点的振动位移行阵 组成的振动位移矩阵Us ；
[0009](2)根据Ms、Us计算模态质量分量Mx、Mr、Mz、Me，其中Mx、My、Mz, M0分别表示模态质量在纵向、Y方向横向、Z方向横向、扭转方向的分量；[0010](3)比较模态质量分量Mx、My、Mz、Me的相对大小，其中最大值Me=max (Mx、My、Mz、M0 )代表的振动类型即为此阶模态类型；
[0011](4)根据步骤(3)确定的模态类型进行振型归一化处理，计算出火箭的模态质量M ；
[0012](5)模态质量大于第一阶模态质量三个或三个以上数量级的模态被判断为局部模态，即完成了复杂模态识别。
[0013]所述步骤(1)中质量特性矩阵Ms为
[0014]Ms=DVIs1 Ms2...Ms1...MsJt
[0015]其中，MSl、Ms2、Ms1、Msn*别为飞行状态中某一时刻有限元模型中第l、2、1、n个节点的质量特性行阵，η为有限元模型中节点的个数，i e [I, η]；
[0016]第i个节点的质量特性行阵Msi为
[0017]Msi=Qnxi myi mzi Jxi Jyi Jj
[0018]其中，mx1、my1、mzi分别为第i个节点在X、Y、Z方向上的质量，Jx1、Jy1、Jzi分别为第i个节点绕X、Y、Z轴的转动惯量；
[0019]所述步骤(1)中振动位移矩阵Us为
[0020]Us=IiUs1 Us2 …Usi …Us1Jt
[0021]其中，USl、US2、US1、USn*别为第1、2、1、η个节点的振动位移行阵，η为有限元模型中节点的个数，i e [I, η]；
[0022]第i个节点的振动位移行阵Usi为
[0023]Usi=CUxi Uyi Uzi Rotxi Rotyi RotJ
[0024]其中，Ux1、Uy1、Uzi分别为第i个节点在X、Y、Z方向上的平动位移，Rotx1、Roty1、Rotzi分别为第i个节点绕X、Y、Z轴的转动位移。
[0025]所述步骤(2)中模态质量分量Mx的计算公式如下:
【权利要求】
1.一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法，其特征在于包括如下步骤: (1)根据运载火箭的梁一质量点有限元模型的动特性分析结果，提取出飞行状态中某一时刻有限元模型中各个节点的质量特性行阵组成的质量特性矩阵Ms、某阶模态下各个节点的振动位移行阵组成的振动位移矩阵Us ； (2)根据Ms、Us计算模态质量分量Mx、My、Mz、Me，其中Mx、My、Mz、Me分别表示模态质量在纵向、Y方向横向、Z方向横向、扭转方向的分量； (3)比较模态质量分量Mx、My、Mz、Me的相对大小，其中最大值Me=max(Mx、My、Mz、Me )代表的振动类型即为此阶模态类型； (4)根据步骤(3)确定的模态类型进行振型归一化处理，计算出火箭的模态质量M; (5)模态质量大于第一阶模态质量三个或三个以上数量级的模态被判断为局部模态，即完成了复杂模态识别。
2.根据权利要求1所述的一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法，其特征在于:所述步骤(1)中质量特性矩阵Ms为
Ms=DVIs1 Ms2...Ms1...MsJt 其中，MSl、MS2、MS1、MSn*别为飞行状态中某一时刻有限元模型中第l、2、1、n个节点的质量特性行阵，η为有限元模型中节点的个数，i e [I, η]； 第i个节点的质量特性行阵Msi为 Msi=Qnxi myi mzi Jxi Jyi Jzi] 其中，mx1、my1、mzi分别为第i个节点在X、Y、Z方向上的质量，Jx1、Jy1、Jzi分别为第i个节点绕X、Y、Z轴的转动惯量； 所述步骤(1)中振动位移矩阵Us为 Us=IiUs1 Us2...Us1...UsJt 其中，USl、US2、US1、USn*别为第1、2、1、η个节点的振动位移行阵，η为有限元模型中节点的个数，i e [I, η]； 第i个节点的振动位移行阵Usi为 Usi= [Uxi Uyi Uzi Rotxi Rotyi Rotzi] 其中，Ux1、Uy1、Uzi分别为第i个节点在X、Y、Z方向上的平动位移，Rotxi, Rotyi, Rotzi分别为第i个节点绕X、Y、Z轴的转动位移。
3.根据权利要求1或2所述的一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法，其特征在于:所述步骤(2)中模态质量分量Mx的计算公式如下:
4.根据权利要求1或2所述的一种大型液体捆绑火箭复杂模态识别方法，其特征在于:所述步骤(4)中根据确定的模态类型进行振型归一化处理的方法为: 以模型首节点的模态类型方向位移h为1，首节点其他方向位移以及其他节点位移等比放大或缩小，j根据模态类型确定；模态类型属于纵向振动时，Ujl=Uxl ;模态类型属于Y方向横向振动时，Uj1=Uyl ;模态类型属于Z方向横向振动时，Ujl=Uzl ;模态类型属于扭转振动时，Ujl=Rotxi ;放大或缩小倍数为B = 所述步骤(4)中火箭的模态质量M的计算公式如下:
M=B2.Me。
【文档编号】G06F17/50GK103593557SQ201310534342
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】吴胜宝, 彭小波, 申麟, 唐庆博, 魏明, 李勇鹏 申请人:中国运载火箭技术研究院