ISO 14954:2005
(Main)Space systems — Dynamic and static analysis — Exchange of mathematical models
Space systems — Dynamic and static analysis — Exchange of mathematical models
ISO 14954:2005 normalizes the exchange of mathematical models between spacecraft contractors (SCC) and launch service providers (LSP). It identifies standard methods for modelling the dynamic behaviour of both launch vehicles (LV) and spacecraft (SC) particularly when they are coupled prior to launch and during the early moments of the launch phase. In standard mode, the delivered models represent dynamic and static behaviour at the launcher interface. The requirements provided in ISO 14954:2005 are the minimum necessary for dynamic coupled analysis. They may be not sufficient for stress analysis. ISO 14954:2005 does not include the validation of spacecraft models.
Systèmes spatiaux — Analyse dynamique et statique — Échange de modèles mathématiques
L'ISO 14954:2005 spécifie les échanges de modèles mathématiques entre maîtres d'oeuvre de charges utiles (PLC) et fournisseurs de services de lancement (LSP). Elle identifie des méthodes normalisées à utiliser pour la modélisation du comportement dynamique des charges utiles (PL) et des lanceurs spatiaux (LV), particulièrement quand ils sont couplés avant le lancement et pendant les premières phases de vol. De façon générale, les modèles fournis sont représentatifs du comportement dynamique et statique de la charge utile à l'interface lanceur spatial. Les exigences de l'ISO 14954:2005 sont celles indispensables pour l'analyse couplée dynamique. Elles peuvent ne pas être suffisantes pour l'analyse des contraintes. Les modèles de charge utile sont des modèles complets constitués à partir des différentes parties de la charge utile sous l'autorité du maître d'oeuvre de la charge utile, comprenant donc leur propre adaptateur d'interface avec le lanceur spatial dans le cas où l'adaptateur est une partie de la charge utile. L'ISO 14954:2005 n'inclut pas la validation des modèles de charges utiles.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 14954
First edition
2005-02-01
Space systems — Dynamic and static
analysis — Exchange of mathematical
models
Systèmes spatiaux — Analyse dynamique et statique — Échange de
modèles mathématiques
Reference number
©
ISO 2005
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Contents Page
Foreword. iv
1 Scope. 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions, symbols, and abbreviated terms. 1
4 General description of models . 3
5 General requirements . 3
6 Condensation methods . 5
7 Model delivery checks. 8
8 Requested outputs. 10
9 Size limitations . 10
10 Delivery formats . 10
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 14954 was prepared by Technical Committee ISO/TC 20, Aircraft and space vehicles, Subcommittee
SC 14, Space systems and operations.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 14954:2005(E)
Space systems — Dynamic and static analysis — Exchange
of mathematical models
1 Scope
This International Standard normalizes the exchange of mathematical models between payload contractors
(PLC) and launch service providers (LSP). It identifies standard methods for modelling the dynamic behaviour
of both launch vehicles (LV) and payload (PL), particularly when they are coupled prior to launch and during
the early moments of the launch phase.
In standard mode, the delivered models represent dynamic and static behaviour at the launcher interface. The
requirements provided in this International Standard are the minimum necessary for dynamic coupled analysis.
They may not be sufficient for stress analysis. The payload models are full integrated models from the
different parts of the payload under the payload contractor authority, including also their own adapter to LV
interface in the case that the adapter is a part of the payload.
This International Standard does not include the validation of PL models.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO/IEC 646, Information technology — ISO 7-bit coded character set for information interchange
3 Terms, definitions, symbols, and abbreviated terms
3.1 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1.1
payload
system that is launched by a launch vehicle
EXAMPLES Satellite, spacecraft, space probe.
3.1.2
payload contractor
organization in charge of a payload
3.1.2
launch service provider
organization that conducts a launch with a launch vehicle
3.2 Abbreviated terms
ATM acceleration transformation matrix
CoG centre of gravity
DoF degree of freedom
DTM displacement transformation matrix
EOF end of file
ICD interface control document
LSP launch service provider
LTM load transformation matrix
LV launch vehicle
OTM output transformation matrix
PL payload
PLC payload contractor
SI International System of Units
3.3 Symbols
A acceleration transformation matrix
C damping matrix
D displacement transformation matrix
K stiffness matrix
T
K stiffness matrix of rigid body modes,KK=φφφφφφφφ
R RR R
L load transformation matrix
M mass matrix
T
M mass matrix of rigid body modes, MM=φφφφφφ φφ
R RR R
S strain energy
e
q internal degrees of freedom
is
q degrees of freedom of the interface
j
φφφφ matrix of rigid body modes
R
η modal coordinates
k
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4 General description of models
4.1 Matrices
The mathematical model of a PL shall be made of three matrices [mass matrix (M), stiffness matrix (K), and
damping matrix (C)]. It shall be sufficient to characterize the dynamic and static behaviour of the structure,
assuming that no external forces are applied to the payload except through the LV-PL interface.
A modal synthesis method is a typical procedure used to generate a reduced mathematical model.
Additional matrices may be provided in order to reconstitute acceleration, displacement or load in the PL.
These matrices are identified as OTMs in the following clauses.
4.2 Types of models
4.2.1 Physical models
Physical models shall be represented by matrices, the dynamic and static behaviour of which is described
solely by the DoFs related to physical displacement at nodal points, including all interface points.
4.2.2 Modal models
Modal models shall be represented by matrices, the dynamic and static behaviour of which is described solely
by a mix of physical and modal DoFs (representing the modes of the structure fixed at previous physical
DoFs). Only interface DoFs are physical DoFs.
4.2.3 Hybrid models
Hybrid models are extensions of modal models for which internal physical DoFs other than the interface DoFs
are included.
4.3 Units
All numerical input and output data shall be expressed in SI. Acceleration may be expressed in g, where
g = 9,81 m/s .
Use of units other than those of SI is an exception that shall be submitted for the approval of the LSP.
5 General requirements
5.1 Modelling codes
The software (name and version) and the type of finite elements used for the modelling of the PL shall be
indicated.
The condensation procedure applied to the original dynamic model shall be described.
5.2 Co-ordinate systems
A reference co-ordinate system for the PL model shall be defined. A drawing of the PL ensemble with its co-
ordinate system shall be included in the written report.
The orientation of the PL axes with respect to the LV shall be defined by the LSP, based on compliance with
requirements of clearance between PL and LV structures, on pad access to the PL, and on mechanical and
electrical interfaces as stipulated in the ICD.
The same reference system shall be used for the geometrical description of the PL and for the definition of the
DoFs in the mass and stiffness matrices.
The axis system shall be cartesian.
A local co-ordinate system may be used but shall be clearly defined. For interfaces, all reference shall be
made to the reference co-ordinate system.
5.3 Theoretical aspects for modelling
5.3.1 General modelling
The model shall describe the complete, dynamic, three-dimensional PL behaviour in free-free conditions and
also clamped at its interface with the launch vehicle. The model shall be representative up to a frequency
specified by the LSP.
5.3.2 Liquid modelling
If the payload contains significant liquid propellant mass, the model shall describe the slosh motions of these
liquids, neglecting the surface tension and assuming that the equilibrium surface is perpendicular to the
liquid’s quasi-static net acceleration vector, when required by the LSP.
The effects of fluid-structure interaction shall be taken into account in the prescribed frequency range.
Typical values of quasi-static acceleration shall be provided by the LSP for loading cases to be considered.
5.3.3 Damping modelling
Damping is usually based on approximations derived from engineering judgement and tests. It may be defined
at the PL level, in which case a PL damping matrix shall be a part of the mathematical model.
Damping may be defined at the system level by agreement between PLC and LSP, in which case no damping
matrix is required. However, if necessary, the dependence of damping on frequency may be provided.
5.3.4 Interface modelling
When the interface between the PL and the LV may be considered rigid, as approved by both the PLC and the
LSP, the interface can be condensed to one node with six DoFs.
Modelling of the PL-LV interface shall require greater accuracy when the flexibility of the interface might
induce higher loads on the PL. This issue shall be discussed by both parties prior to the preliminary coupled
analysis cycle.
4 © ISO 2005 – All rights reserved
6 Condensation methods
6.1 Condensed physical model
6.1.1 General
The choice of method of condensation is left to the discretion of the writer of the model. The condensed model
shall be compliant with requirements given in Clause 7.
The nodal points and DoF shall be defined as in 6.1.2.
6.1.2 Requirements
6.1.2.1 Unless otherwise specified, each physical nodal point of the interface shall have six DoFs in the
reference co-ordinate system:
T = DoF 1, T = DoF 2, T = DoF 3, R = DoF 4, R = DoF 5, R = DoF 6
X Y Z X Y Z
where T is translation, R is rotation and X, Y, Z are the axes.
6.1.2.2 The DoFs shall be ordered in the matrices first according to the numbering of the nodes and
second according to the numbering of the DoFs as listed in 6.1.2.1.
6.1.2.3 A local co-ordinate system may be used but shall be defined. In general, local co-ordinates are
excluded for the interface DoFs.
6.1.2.4 Nodal point co-ordinates shall be expressed in the reference system of the PL.
6.1.2.5 As a result of these rules, the mass, stiffness and damping matrices may have a size less than
6N × 6N, where N is the number of nodal points.
6.1.2.6 The OTMs may be supplied with related user instructions. The output parameters shall be linearly
dependent on the acceleration and/or displacement of nodal points.
Thus, the OTMs are likely to have the same number of columns as the stiffness and mass matrices and
P rows, where P is the number of output parameters.
6.2 Modal model
6.2.1 General
The dynamic behaviour of the PL shall be described by the reduced stiffness, mass and damping matrices,
relative to the elastic modes (modal co-ordinates, η ) and the interface nodes (the interface DoF, q ).
k j
This size of the stiffness and mass matrices (and the damping matrix if provided) is Q rows × Q columns, such
that
Q = Q + Q
l m
where:
Q = number of degrees of freedom of the interface
l
Q = number of elastic modes
m
6.2.2 Requirements
6.2.2.1 Unless otherwise specified, each physical nodal point of the interface shall have six DoFs in the
reference co-ordinate system:
T = DoF 1, T = DoF 2, T = DoF 3, R = DoF 4, R = DoF 5, R = DoF 6
X Y Z X Y Z
where T is translation, R is rotation and X, Y, Z are the axes.
6.2.2
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 14954
Première édition
2005-02-01
Systèmes spatiaux — Analyse
dynamique et statique — Échange de
modèles mathématiques
Space systems — Dynamic and static analysis — Exchange of
mathematical models
Numéro de référence
©
ISO 2005
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes, définitions, symboles et termes abrégés . 1
4 Description générale des modèles. 3
5 Exigences générales. 3
6 Méthodes de condensation. 5
7 Vérification des modèles avant fourniture . 8
8 Sorties exigées. 10
9 Limites de la taille des modèles . 10
10 Formats à fournir . 10
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 14954 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 20, Aéronautique et espace, sous-comité SC 14,
Systèmes spatiaux, développement et mise en œuvre.
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NORME INTERNATIONALE ISO 14954:2005(F)
Systèmes spatiaux — Analyse dynamique et statique —
Échange de modèles mathématiques
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie les échanges de modèles mathématiques entre maîtres d’œuvre de
charges utiles (PLC) et fournisseurs de services de lancement (LSP). Elle identifie des méthodes normalisées
à utiliser pour la modélisation du comportement dynamique des charges utiles (PL) et des lanceurs spatiaux
(LV), particulièrement quand ils sont couplés avant le lancement et pendant les premières phases de vol.
De façon générale, les modèles fournis sont représentatifs du comportement dynamique et statique de la
charge utile à l’interface lanceur spatial. Les exigences de la présente Norme internationale sont celles
indispensables pour l’analyse couplée dynamique. Elles peuvent ne pas être suffisantes pour l’analyse des
contraintes. Les modèles de charge utile sont des modèles complets constitués à partir des différentes parties
de la charge utile sous l’autorité du maître d’œuvre de la charge utile, comprenant donc leur propre
adaptateur d’interface avec le lanceur spatial dans le cas où l’adaptateur est une partie de la charge utile.
La présente Norme internationale n’inclut pas la validation des modèles de charges utiles.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO/CEI 646, Technologies de l'information — Jeu ISO de caractères codés à 7 éléments pour l'échange
d'information
3 Termes, définitions, symboles et termes abrégés
3.1 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1.1
charge utile
système pouvant être lancé par un lanceur spatial
EXEMPLES Un satellite, un véhicule spatial, une sonde spatiale.
3.1.2
maître d’œuvre de la charge utile
organisation responsable de la charge utile
3.1.3
fournisseur de services de lancement
organisation qui effectue des lancements avec un lanceur spatial
3.2 Termes abrégés
ATM matrice de restitution en accélération (acceleration transformation matrix)
CdG centre de gravité
DCI document de contrôle d’interface
DdL degré de liberté
DTM matrice de restitution en déplacement (displacement transformation matrix)
EOF fin de fichier (end of file)
LSP fournisseur de services de lancement (launch service provider)
LTM matrice de restitution en effort (load transformation matrix)
LV lanceur spatial (launch vehicle)
OTM matrice de restitution des données de sortie (output transformation matrix)
PL charge utile (payload)
PLC maître d’œuvre de la charge utile (payload contractor)
SI système international d’unités
3.3 Symboles
A matrice de restitution en accélération
C matrice d’amortissement
D matrice de restitution en déplacement
K matrice de rigidité
T
K matrice de rigidité des modes rigides, KK=φφφφφφφφ
R RR R
L matrice de restitution en effort
M matrice de masse
T
M matrice de masse des modes rigides, MM=φφφφφφφφ
R RR R
S énergie de déformation
e
q degrés de liberté internes
is
q degrés de liberté d'interface
j
φφφφ matrice des modes rigides
R
η coordonnées modales
k
2 © ISO 2005 – Tous droits réservés
4 Description générale des modèles
4.1 Matrices
Le modèle mathématique d’une PL doit être constitué de trois matrices [matrice de masse (M), matrice de
rigidité (K) et matrice d’amortissement (C)]. Il doit être suffisant pour caractériser le comportement dynamique
et statique de la structure, tout en supposant qu’aucune force extérieure n’est appliquée à la PL à l’exception
des efforts appliqués à l’interface LV-PL.
Une méthode de synthèse modale est une procédure habituelle pour générer un modèle mathématique réduit.
Des matrices supplémentaires peuvent être fournies afin de recalculer les accélérations, les déplacements et
les efforts dans la PL.
Ces matrices sont identifiées comme OTM dans les articles suivants.
4.2 Types de modèles
4.2.1 Modèles physiques
Les modèles physiques doivent être présentés par des matrices dont le comportement dynamique et statique
est décrit uniquement par des DdL liés à des déplacements physiques au niveau des nœuds, comprenant
tous les points d’interface.
4.2.2 Modèles modaux
Les modèles modaux doivent être présentés par des matrices dont le comportement dynamique et statique
est décrit uniquement par une combinaison de DdL physiques et modaux (représentant les modes de la
structure fixés aux précédents DdL physiques). Seuls les DdL d’interface sont des DdL physiques.
4.2.3 Modèles hybrides
Les modèles hybrides sont une extension des modèles modaux dans lesquels des DdL physiques internes
sont inclus (autres que les DdL d'interface).
4.3 Unités
Toutes les données d’entrée et de sortie doivent être exprimées conformément au SI. L’accélération peut être
exprimée en g, avec g = 9,81 m/s .
La non-utilisation du SI est exceptionnelle et doit être soumise à l'approbation du LSP.
5 Exigences générales
5.1 Codes de modélisation
Le logiciel (nom et version) et le type d’éléments finis utilisés pour la modélisation de la PL doivent être
précisés.
La procédure de condensation appliquée au modèle dynamique originel doit être décrite.
5.2 Système de coordonnées
Un système de coordonnées de référence pour le modèle de la PL doit être défini. Un dessin d’ensemble de
la PL avec son système de coordonnées doit être fourni dans la documentation.
L’orientation des axes de la PL par rapport au LV doit être définie par le LSP, cette orientation étant basée sur
le respect des exigences d’interface avec le LV, l’accès sur pas de tir et les interfaces mécaniques et
électriques stipulées dans le DCI.
Le même référentiel doit être utilisé pour la description géométrique de la PL et pour la description des DdL
dans les matrices de masse et de rigidité.
Le système de référence doit être cartésien.
Un système de coordonnées local peut être utilisé mais doit être clairement défini. Pour les interfaces, la
référence doit être le système de coordonnées de référence.
5.3 Aspects théoriques de la modélisation
5.3.1 Généralités sur la modélisation
Le modèle doit décrire le comportement dynamique complet de la PL, en trois dimensions, en condition libre-
libre et en condition encastrée à l’interface avec le LV. Le modèle doit être représentatif jusqu’à une fréquence
spécifiée par le LSP.
5.3.2 Modélisation des liquides
Si la PL contient une masse significative d’ergol, le modèle doit être capable de décrire le ballottement de ces
liquides, en négligeant les contraintes de tension superficielle et en supposant que la surface libre est
perpendiculaire au vecteur d’accélération statique appliqué à l’ergol, quand cela est exigé par le LSP.
Les effets de l’interaction fluide-structure doivent être pris en compte dans la plage de fréquences considérée.
Des valeurs typiques d’accélération quasi statique doivent être fournies par le LSP pour les cas de charges
considérés.
5.3.3 Modélisation de l’amortissement
L’amortissement est usuellement fondé sur des approximations basées sur le savoir-faire de l’ingénieur et des
essais. Il peut être défini au niveau de la PL, auquel cas une matrice d’amortissement de la PL doit être
incluse dans le modèle mathématique.
L’amortissement peut aussi être défini au niveau système par un accord entre le PLC et le LSP. Dans ce cas,
aucune matrice d’amortissement n’est requise. Cependant, si cela est nécessaire, la dépendance de
l’amortissement vis-à-vis de la fréquence peut être fournie.
5.3.4 Modélisation de l’interface
Lorsque l’interface entre la PL et le LV peut être considérée comme étant rigide par le PLC et par le LSP,
l’interface peut être réduite à un nœud avec six DdL.
La modélisation de l’interface PL-LV exige une fidélité accrue lorsque la flexibilité de l'interface peut induire de
plus fortes charges sur la PL. Ce point doit être discuté entre les deux parties avant le cycle d’analyse couplée
préliminaire.
4 © ISO 2005 – Tous droits réservés
6 Méthodes de condensation
6.1 Condensation d’un modèle physique
6.1.1 Généralités
Le choix de la méthode de condensation est laissé à l’initiative du titulaire du modèle. Le modèle condensé
doit être conforme aux exigences données dans l’Article 7.
Les nœuds et les DdL doivent être définis conformément aux exigences données en 6.1.2.
6.1.2 Exigences
6.1.2.1 Sauf spécification contraire, chaque nœud physique d'interface doit posséder six DdL dans le
système de coordonnées de référence:
T = DdL 1; T = DdL 2; T = DdL 3; R = DdL 4; R = DdL 5; R = DdL 6
X Y Z X Y Z
où T représente une translation, R une rotation et X, Y, Z les axes de référence.
6.1.2.2 Les DdL doivent être ordonnés dans les matrices, d'abord selon la numérotation de
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.