一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法技术

本发明专利技术涉及一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，属于工程结构动力学反问题领域；构造火工品冲击载荷试验装置；测量火工品冲击载荷试验装置的加速度响应数据；建立火工品冲击载荷试验装置的时域历程方程；构造增广精细积分算法下的动力学反问题方程；建立约束方程；计算仅考虑幅值连续约束条件下的识别载荷和同时考虑幅值连续和一阶导数连续约束条件下的识别载荷计算和的一致性系数根据判断规则，输出火工品冲击载荷识别结果；本发明专利技术实现了100

【技术实现步骤摘要】
一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法


[0001]本专利技术属于工程结构动力学反问题领域，涉及一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法。

技术介绍

[0002]火工解锁装置被广泛应用于各种航天器，其做动时产生的100～100kHz宽频带动态震荡载荷对航天器上产品和结构的破坏作用十分突出。但由于难以通过试验测量方法得到准确的火工冲击载荷时域历程曲线，很难开展对火工冲击的精确仿真分析，在工程设计领域主要采用基于试验和经验数据的外推方法，包括经验模型法、数据外推法、子路径结构外推法等。这类方法可以给出冲击环境的大致估计，但是需要取较高的余量和裕度，导致得到的冲击环境条件往往过于苛刻，不利于航天器产品的轻量化精细化设计。在这种情况下，通过求解动力学反问题，通过测量得到的加速度数据反求火工冲击载荷成为了一种可行的方案和工程上开展轻量化精细化设计的迫切需求。
[0003]当前没有专门针对100～100kHz宽频带动态震荡火工冲击载荷的识别方法。文献中的载荷识别方法主要基于杜哈密尔积分(Duhamel Integral)、中心差分、Newmark或Wilson
‑
θ等方法建立正问题方程后，再建立动力学反问题进行求解。其中，为保证建模准确性，都假定采样频率足够高，以保证采样分辨率可以完整的描述载荷的时间特征。通常要求采样分辨率为载荷最高频率分量的20倍，至少应为6～8倍。对于一般的载荷，这一假设是可以满足的，但是对于作用持续时间往往小于20ms，主要频率带宽达到了100Hz～100kHz范围的火工冲击载荷，这意味着采样频率至少需要达到600～800kHz，2000kHz以上更佳。然而，目前市场上能够公开采购到的采样设备最高频率仅约为240kHz，远不能满足上述方法的应用要求，否则由于求解时间步长与载荷频率上限不匹配，会得到不准确的计算结果，乃至计算发散，无法求解。
[0004]此外，如何确定识别得到的火工冲击载荷的准确程度方面，文献中的载荷识别方法主要通过对比载荷测量结果与识别结果的一致性，或通过对比识别结果重构得到的加速度响应与测量结果的一致性来评估识别结果的准确性。但一方面，由于极难通过试验测量方法得到火工冲击载荷时域历程曲线，通过对比载荷测量结果与识别结果的一致性来评估识别准确性不具备可操作性；另一方面，由于动力学反问题解的不唯一确定性，即便通过识别结果重构得到的加速度响应与测量结果一致，也不能证明载荷识别结果与载荷真实时域历程的一致性。
[0005]综上，目前没有类似于本专利提出的方法，基于最高240kHz采样速率得到的加速度数据，通过求解动力学反问题，重构100～100kHz宽频带动态震荡火工冲击载荷，并在缺乏准确试验测量数据的情况下，评估载荷识别准确度的方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种宽频带动态震荡火工
冲击载荷识别方法，实现了100～100kHz宽频带动态震荡载荷的识别求解，并在缺乏准确载荷测量值的情况下，提出了一种载荷识别准确度的校验方法。
[0007]本专利技术解决技术的方案是：
[0008]一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，包括如下步骤：
[0009]步骤一、构造火工品冲击载荷试验装置；
[0010]步骤二、测量火工品冲击载荷试验装置的加速度响应数据；
[0011]步骤三、设置第k次测量加速度响应数据的时刻为t
k
，第k+1次测量加速度响应数据的时刻为t
k+1
；建立火工品冲击载荷试验装置的时域历程方程；构造增广精细积分算法下的动力学反问题方程；建立约束方程；计算仅考虑幅值连续约束条件下的识别载荷和同时考虑幅值连续和一阶导数连续约束条件下的识别载荷
[0012]步骤四、计算和的一致性系数
[0013]步骤五、设置阈值A，将与A进行比较；当大于A时，判断和的一致性好，即识别结果准确，将作为火工品冲击载荷识别结果；当小于等于A时，判断和的一致性不好，即识别结果不准确，返回步骤二，更换为更高频率更高精度的数采设备，增加测量点后，重新开始识别。
[0014]在上述的一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，所述步骤二中，至少测量4路加速度响应数据；测量加速度响应数据时，采样频率不小于200kHz，测量信噪比优于
‑
20dB。
[0015]在上述的一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，所述步骤三中，火工品冲击载荷试验装置的时域历程方程为：
[0016][0017]式中，t
k
为第k次测量加速度响应数据的时刻，k＝1，2，
……
，n；
[0018]为常数项系数；
[0019]为一次项系数；
[0020]为二次项系数；
[0021]为三次项系数；
[0022]t为时域历程方程的自变量；
[0023]动力学反问题方程为：
[0024][0025]式中，D
z
和D
zf
均为增广精细积分算法中的递推系数矩阵；且D
z
与D
zf
的关系为：
[0026][0027]B
k
为与有限元模型中与加速度测量自由度相关的仅含有0，1元素的波尔矩阵；
[0028]角标T为矩阵的转置；
[0029]R为增广精细积分算法中的系数，具体为：
[0030][0031]c
k
为系数矩阵，具体为：
[0032][0033]其中，K、C和M分别为系统刚度阵、阻尼阵和质量阵；x，和分别为系统各自由度的位移、速度和加速度向量；M
‑1为求M的逆。
[0034]在上述的一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，所述步骤三中，约束方程为：
[0035][0036]式中，S1为第一子系数矩阵；
[0037]S2为第二子系数矩阵；
[0038]当仅考虑载荷幅值连续时，S1和S2分别为：
[0039][0040]S2＝[
‑
1 0 0 0]ꢀꢀ
(8)
[0041]当同时考虑载荷幅值连续和一阶导数连续时，S1和S2分别为：
[0042][0043][0044]在上述的一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，所述步骤三中，联立公式(2)和公式(6)，获得方程组；当约束方程中的S1取值为公式(7)、S2取值为公式(8)，或S1取值为公式(9)、S2取值为公式(10)时，获得两组不同的方程组，求解方程组获得载荷系数列向量后，分别代入公式(1)，在所有t
k
至t
k+1
的采样间隔内进行分片插值计算，k＝1，2，3，
……
，n
‑
1；获得对应不同约束条件下的识别载荷和其中为仅考虑幅值连续约束条件下的识别载荷，为同时考虑幅值连续和一阶导数连续约束条件下的识别载荷。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、构造火工品冲击载荷试验装置；步骤二、测量火工品冲击载荷试验装置的加速度响应数据；步骤三、设置第k次测量加速度响应数据的时刻为t
k
，第k+1次测量加速度响应数据的时刻为t
k+1
；建立火工品冲击载荷试验装置的时域历程方程；构造增广精细积分算法下的动力学反问题方程；建立约束方程；计算仅考虑幅值连续约束条件下的识别载荷和同时考虑幅值连续和一阶导数连续约束条件下的识别载荷步骤四、计算和的一致性系数步骤五、设置阈值A，将与A进行比较；当大于A时，判断和的一致性好，即识别结果准确，将作为火工品冲击载荷识别结果；当小于等于A时，判断和的一致性不好，即识别结果不准确，返回步骤二，更换为更高频率更高精度的数采设备，增加测量点后，重新开始识别。2.根据权利要求1所述的一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，其特征在于：所述步骤二中，至少测量4路加速度响应数据；测量加速度响应数据时，采样频率不小于200kHz，测量信噪比优于
‑
20dB。3.根据权利要求2所述的一种宽频带动态震荡火工冲击载荷识别方法，其特征在于：所述步骤三中，火工品冲击载荷试验装置的时域历程方程为：式中，t
k
为第k次测量加速度响应数据的时刻，k＝1，2，
……
，n；为常数项系数；为一次项系数；为二次项系数；为三次项系数；t为时域历程方程的自变量；动力学反问题方程为：式中，D
z
和D
zf
均为增广精细积分算法中的递推系数矩阵；且D
z
与D
zf
的关系为：B
k
为与有限元模型中与加速度测量自由度相关的仅含有0，1元素的波尔矩阵；角标T为矩阵的转置；
R为增广精细积分算法中的系数，具体为：c
k
为系数矩阵，具体为：其中，K、C...

【专利技术属性】
技术研发人员：王缅，范为，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：