1 前言
   
    目前，傳統(tǒng)的航天器力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)采用加速度響應(yīng)控制方法，試驗(yàn)中的輸入條件為真實(shí)數(shù)據(jù)的一條包絡(luò)曲線。當(dāng)試件發(fā)生共振時(shí)其有效質(zhì)量降低加速度上升，當(dāng)試件發(fā)生反共振時(shí)其有效質(zhì)量上升加速度下降，因此無(wú)論是共振還是反共振其界面受力的變化并不大，共振和反共振一般都是伴隨出現(xiàn)的，兩者幾乎處于同一頻率。如果完全按照加速度包絡(luò)曲線進(jìn)行試驗(yàn)，反共振時(shí)的加速度下降就無(wú)法體現(xiàn)，在試件反共振時(shí)，振動(dòng)臺(tái)為了使試件達(dá)到共振時(shí)的加速度必然會(huì)大幅增加推力的輸出，使試件受力嚴(yán)重過(guò)試驗(yàn)，導(dǎo)致?lián)p傷產(chǎn)品。如果為了通過(guò)試驗(yàn)會(huì)造成產(chǎn)品的過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，這是導(dǎo)致航天器結(jié)構(gòu)重量偏重的重要原因。目前通常采用共振點(diǎn)處加速度下凹控制來(lái)盡量避免過(guò)試驗(yàn)，但是這種方法缺乏理論基礎(chǔ)，只能憑經(jīng)驗(yàn)，在過(guò)試驗(yàn)和欠試驗(yàn)之間很難把握下凹的準(zhǔn)確量。為了解決加速度控制的缺陷，航天發(fā)達(dá)國(guó)家提出了力限振動(dòng)試驗(yàn)的設(shè)想。
   
    力限振動(dòng)試驗(yàn)是在加速度控制的同時(shí)限制界面力，當(dāng)界面力達(dá)到規(guī)定量時(shí)控制加速度主動(dòng)下凹，從而避免過(guò)實(shí)驗(yàn)。這是一種加速度控制與力的響應(yīng)控制相結(jié)合的控制方式，可以有效解決純加速度控制的缺陷。NASA與歐空局于上世紀(jì)末開(kāi)始從事力限振動(dòng)試驗(yàn)的研究，取得了大量成果，并在某些航天器的振動(dòng)試驗(yàn)中進(jìn)行了實(shí)踐性的運(yùn)用[1,2]。我國(guó)在近幾年開(kāi)展了一些力限控制方法的研究，在理論基礎(chǔ)及實(shí)際應(yīng)用中都取得了一定的成果[3]。
   
    FMD（Force Measurement Device）是力限振動(dòng)試驗(yàn)中的主要部件，它起到了傳遞和測(cè)量界面力的作用。文獻(xiàn)[4]針對(duì)承力筒單向力限FMD進(jìn)行了一系列分析，并給出了相關(guān)優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[5]介紹了三向FMD測(cè)力環(huán)進(jìn)行整星試驗(yàn)的結(jié)果。本文將針對(duì)某大型衛(wèi)星進(jìn)行三向力限FMD振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析算出各傳感器的受力情況，選出最佳方案，最后分析說(shuō)明大型三向FMD的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及難點(diǎn)，并提出了相應(yīng)解決辦法。
   
    2 力限FMD振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)
   
    2.1 衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)說(shuō)明
   
    本FMD為了滿足某大型衛(wèi)星的力限振動(dòng)試驗(yàn)而設(shè)計(jì)，該衛(wèi)星質(zhì)量2.7噸，質(zhì)心高度1.65m。試驗(yàn)條件按三個(gè)方向最大加速度1g分別進(jìn)行5~100Hz正弦掃頻振動(dòng)，在前期相同條件的純加速度控制試驗(yàn)中，通過(guò)功放輸出電流換算得垂直向最大推力為6.7噸，水平向最大推力為10噸，用于加速度控制的夾具質(zhì)量為378Kg。
   
    2.2傳感器選型
   
    該衛(wèi)星力限振動(dòng)試驗(yàn)以20噸振動(dòng)臺(tái)為激勵(lì)源，由于要進(jìn)行三向試驗(yàn)，且需要的測(cè)力范圍較大，初步選擇Kistler三向力傳感器中量程最大的9377B和9378B為FMD的測(cè)力組件，見(jiàn)圖1。
   

    圖1：9377B&9378B三向力傳感器

    
    這兩種傳感器外形和性能指標(biāo)完全一樣，不同點(diǎn)僅為導(dǎo)線接口位置相反。根據(jù)文獻(xiàn)[4,5]的論述，為了保證FMD的剛度，對(duì)于大型FMD夾具應(yīng)配置8個(gè)以上的傳感器。在此選擇9377B和9378B各4個(gè)，呈圓周均布，這樣可使導(dǎo)線走向一致，有利于采集設(shè)備的安放。9377B和9378B具有測(cè)量范圍大、靈敏度高、剛度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在出廠前已進(jìn)行了預(yù)緊和校準(zhǔn)，客戶只需將其安裝在FMD夾具內(nèi)即可使用。傳感器安裝方式極為簡(jiǎn)便，通過(guò)上下各4個(gè)M16螺釘進(jìn)行緊固。其外形尺寸見(jiàn)圖2，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。
   

    圖2：傳感器外形及安裝尺寸

    表1：傳感器主要性能指標(biāo)