1 前言
   
    目前，傳統的航天器力學振動試驗采用加速度響應控制方法，試驗中的輸入條件為真實數據的一條包絡曲線。當試件發生共振時其有效質量降低加速度上升，當試件發生反共振時其有效質量上升加速度下降，因此無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的，兩者幾乎處于同一頻率。如果完全按照加速度包絡曲線進行試驗，反共振時的加速度下降就無法體現，在試件反共振時，振動臺為了使試件達到共振時的加速度必然會大幅增加推力的輸出，使試件受力嚴重過試驗，導致損傷產品。如果為了通過試驗會造成產品的過強度設計，這是導致航天器結構重量偏重的重要原因。目前通常采用共振點處加速度下凹控制來盡量避免過試驗，但是這種方法缺乏理論基礎，只能憑經驗，在過試驗和欠試驗之間很難把握下凹的準確量。為了解決加速度控制的缺陷，航天發達國家提出了力限振動試驗的設想。
   
    力限振動試驗是在加速度控制的同時限制界面力，當界面力達到規定量時控制加速度主動下凹，從而避免過實驗。這是一種加速度控制與力的響應控制相結合的控制方式，可以有效解決純加速度控制的缺陷。NASA與歐空局于上世紀末開始從事力限振動試驗的研究，取得了大量成果，并在某些航天器的振動試驗中進行了實踐性的運用[1,2]。我國在近幾年開展了一些力限控制方法的研究，在理論基礎及實際應用中都取得了一定的成果[3]。
   
    FMD（Force Measurement Device）是力限振動試驗中的主要部件，它起到了傳遞和測量界面力的作用。文獻[4]針對承力筒單向力限FMD進行了一系列分析，并給出了相關優化方法。文獻[5]介紹了三向FMD測力環進行整星試驗的結果。本文將針對某大型衛星進行三向力限FMD振動夾具設計，通過有限元分析算出各傳感器的受力情況，選出最佳方案，最后分析說明大型三向FMD的設計要點及難點，并提出了相應解決辦法。
   
    2 力限FMD振動夾具設計
   
    2.1 衛星相關參數說明
   
    本FMD為了滿足某大型衛星的力限振動試驗而設計，該衛星質量2.7噸，質心高度1.65m。試驗條件按三個方向最大加速度1g分別進行5~100Hz正弦掃頻振動，在前期相同條件的純加速度控制試驗中，通過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量為378Kg。
   
    2.2傳感器選型
   
    該衛星力限振動試驗以20噸振動臺為激勵源，由于要進行三向試驗，且需要的測力范圍較大，初步選擇Kistler三向力傳感器中量程最大的9377B和9378B為FMD的測力組件，見圖1。
   

    圖1：9377B&9378B三向力傳感器

    
    這兩種傳感器外形和性能指標完全一樣，不同點僅為導線接口位置相反。根據文獻[4,5]的論述，為了保證FMD的剛度，對于大型FMD夾具應配置8個以上的傳感器。在此選擇9377B和9378B各4個，呈圓周均布，這樣可使導線走向一致，有利于采集設備的安放。9377B和9378B具有測量范圍大、靈敏度高、剛度高、抗干擾能力強等優點，在出廠前已進行了預緊和校準，客戶只需將其安裝在FMD夾具內即可使用。傳感器安裝方式極為簡便，通過上下各4個M16螺釘進行緊固。其外形尺寸見圖2，主要性能指標見表1。
   

    圖2：傳感器外形及安裝尺寸

    表1：傳感器主要性能指標