1 前言
目前，传统的航天器力学振动试验采用加速度响应控制方法，试验中的输入条件为真实数据的一条包络曲线。当试件发生共振时其有效质量降低加速度上升，当试件发生反共振时其有效质量上升加速度下降，因此无论是共振还是反共振其界面受力的变化并不大，共振和反共振一般都是伴随出现的，两者几乎处于同一频率。如果完全按照加速度包络曲线进行试验，反共振时的加速度下降就无法体现，在试件反共振时，振动台为了使试件达到共振时的加速度必然会大幅增加推力的输出，使试件受力严重过试验，导致损伤产品。如果为了通过试验会造成产品的过强度设计，这是导致航天器结构重量偏重的重要原因。目前通常采用共振点处加速度下凹控制来尽量避免过试验，但是这种方法缺乏理论基础，只能凭经验，在过试验和欠试验之间很难把握下凹的准确量。为了解决加速度控制的缺陷，航天发达国家提出了力限振动试验的设想。
力限振动试验是在加速度控制的同时限制界面力，当界面力达到规定量时控制加速度主动下凹，从而避免过实验。这是一种加速度控制与力的响应控制相结合的控制方式，可以有效解决纯加速度控制的缺陷。NASA与欧空局于上世纪末开始从事力限振动试验的研究，取得了大量成果，并在某些航天器的振动试验中进行了实践性的运用[1,2]。我国在近几年开展了一些力限控制方法的研究，在理论基础及实际应用中都取得了一定的成果[3]。
FMD（Force Measurement Device）是力限振动试验中的主要部件，它起到了传递和测量界面力的作用。文献[4]针对承力筒单向力限FMD进行了一系列分析，并给出了相关优化方法。文献[5]介绍了三向FMD测力环进行整星试验的结果。本文将针对某大型卫星进行三向力限FMD振动夹具设计，通过有限元分析算出各传感器的受力情况，选出最佳方案，最后分析说明大型三向FMD的设计要点及难点，并提出了相应解决办法。
2 力限FMD振动夹具设计
2.1 卫星相关参数说明
本FMD为了满足某大型卫星的力限振动试验而设计，该卫星质量2.7吨，质心高度1.65m。试验条件按三个方向最大加速度1g分别进行5~100Hz正弦扫频振动，在前期相同条件的纯加速度控制试验中，通过功放输出电流换算得垂直向最大推力为6.7吨，水平向最大推力为10吨，用于加速度控制的夹具质量为378Kg。
2.2传感器选型
该卫星力限振动试验以20吨振动台为激励源，由于要进行三向试验，且需要的测力范围较大，初步选择Kistler三向力传感器中量程最大的9377B和9378B为FMD的测力组件，见图1。
图1：9377B&9378B三向力传感器
这两种传感器外形和性能指标完全一样，不同点仅为导线接口位置相反。根据文献[4,5]的论述，为了保证FMD的刚度，对于大型FMD夹具应配置8个以上的传感器。在此选择9377B和9378B各4个，呈圆周均布，这样可使导线走向一致，有利于采集设备的安放。9377B和9378B具有测量范围大、灵敏度高、刚度高、抗干扰能力强等优点，在出厂前已进行了预紧和校准，客户只需将其安装在FMD夹具内即可使用。传感器安装方式极为简便，通过上下各4个M16螺钉进行紧固。其外形尺寸见图2，主要性能指标见表1。
图2：传感器外形及安装尺寸
表1：传感器主要性能指标