HXMT衛(wèi)星側(cè)面探測器的動態(tài)性能分析

閆旭，孟春玲，張剛，鄧達(dá)人，馬立鵬

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048）

HXMT衛(wèi)星側(cè)面探測器的動態(tài)性能分析

閆旭，孟春玲，張剛，鄧達(dá)人，馬立鵬

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048）

為研究硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HMXT）衛(wèi)星側(cè)面探測器是否滿足航空設(shè)計(jì)要求，對其進(jìn)行動態(tài)性能分析。采用有限元方法，利用大型通用有限元分析軟件ABAQUS，對側(cè)面探測器整體模型進(jìn)行了超載靜力分析、模態(tài)分析、正弦振動分析以及隨機(jī)振動分析，研究側(cè)面探測器在復(fù)雜工況下的動態(tài)性能。通過計(jì)算，側(cè)面探測器基頻大于100Hz，剛性及振動性能較好，滿足設(shè)計(jì)要求。研究工作為側(cè)面探測器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

側(cè)面探測器；有限元方法；動態(tài)性能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

航空飛行器在發(fā)射過程中要受到相應(yīng)的慣性力、正弦振動和隨機(jī)振動，要求起支撐作用的探測器結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強(qiáng)度和優(yōu)良的動態(tài)性能[1]。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法[2]。本文采用有限元方法，建立了比較準(zhǔn)確的有限元模型，研究側(cè)面探測器在超載及各種振動激勵(lì)條件下的動態(tài)性能。通過對側(cè)面探測器進(jìn)行超載靜力分析、模態(tài)分析、正弦振動分析及隨機(jī)振動分析，驗(yàn)證了側(cè)面探測器的動態(tài)性能滿足設(shè)計(jì)要求，以及其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗力學(xué)性能合理可靠，證明了側(cè)面探測器各部件及組裝結(jié)構(gòu)能夠滿足力學(xué)環(huán)境要求，為側(cè)面探測器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 側(cè)面探測器的結(jié)構(gòu)組成

側(cè)面探測器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由端蓋、橡膠墊、外殼、屏蔽罩、光電倍增管、有機(jī)玻璃、鉭板、塑料閃爍版、螺母等部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 側(cè)面探測器整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 側(cè)面探測器的有限元建模

為研究側(cè)面探測器的動態(tài)性能，對其進(jìn)行有限元建模，側(cè)面探測器各部分均采用實(shí)體單元。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理[3]。建立MPC模擬鋁外殼與外殼的螺栓連接，對于一些非有限元分析重點(diǎn)的部件，如連接插件、高壓模塊、電路板、光電倍增管、橡膠圈、有機(jī)玻璃等，以質(zhì)量點(diǎn)的形式加到距鋁外殼中心向上52 mm的位置，質(zhì)量為239 g.對簡化后的模型進(jìn)行有限元分析，有限元模型如圖2所示。

圖2 側(cè)面探測器的有限元模型

2.2 構(gòu)件間連接關(guān)系的建立

端蓋與外殼、外殼與屏蔽罩以及外殼與鋁外殼之間建立綁定（Tie）連接，鋁外殼通過4個(gè)MPC-beam與上層鉭板固接在一起。為模擬螺栓的連接作用，將結(jié)構(gòu)中上下各10個(gè)螺栓頭與接觸部分、螺栓所穿過部分各層之間依次建立綁定連接，外殼、橡膠墊、鉭板、塑料閃爍板、等除綁定部分外建立摩擦接觸。

2.3材料參數(shù)的設(shè)置

對側(cè)面探測器各部件進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，各部件材料參數(shù)如表1所示。

表1 各部件材料參數(shù)

2.4 位移邊界條件的設(shè)定

由于側(cè)面探測器是是通過底面10個(gè)螺栓安裝在基礎(chǔ)設(shè)備上的，所以約束底面所有螺栓頭的六個(gè)自由度。

3 側(cè)面探測器的動態(tài)性能分析

3.1 靜力分析

側(cè)面探測器靜力分析主要模擬實(shí)驗(yàn)中的過載實(shí)驗(yàn)，所施加的載荷為慣性載荷，即在整個(gè)模型上施加慣性加速度。由于過載實(shí)驗(yàn)時(shí)在載荷達(dá)到預(yù)定的要求并保持規(guī)定的時(shí)間，這一過程與靜力實(shí)驗(yàn)類似，因此采用靜力分析的方法進(jìn)行模擬計(jì)算。考察探測器整體的變形及等效應(yīng)力，側(cè)面探測器超載實(shí)驗(yàn)條件為：3個(gè)方向均受8g的重力加速度。整體位移分布如圖3所示，不同材料部件的最大應(yīng)力值及位移值如表2所示。

圖3 側(cè)面探測器的總位移

表2 不同材料部件的最大應(yīng)力、位移

側(cè)面屏蔽探測器整體結(jié)構(gòu)最大的應(yīng)力為29.73 MPa，各部件的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力；探測器整體最大位移為0.043 65 mm，在靜載作用下整體結(jié)構(gòu)變形很小，具有良好的剛度，符合靜力學(xué)強(qiáng)度安全要求。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有振動特性，每一階模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼與模態(tài)振型。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，通過模態(tài)分析可以預(yù)測產(chǎn)品的動態(tài)特性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，因此在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。通過有限元計(jì)算得出側(cè)面探測器前10階固有頻率如表3所示，前6階振型如圖4、圖5所示。

表3 前10階固有頻率及振型描述

圖4 第1-3階固有頻率振型云圖

圖5 第4-6階固有頻率振型云圖

通過以上模態(tài)計(jì)算可得，側(cè)面探測器的第1階固有頻率的頻率值為383.83 Hz，滿足基頻大于100 Hz的設(shè)計(jì)要求。

3.3 正弦振動分析

衛(wèi)星發(fā)動機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)頻率一般低于100 Hz，為研究模型在該種激勵(lì)情況下的動態(tài)性能，對其進(jìn)行正弦振動分析。正弦振動分析時(shí)，輸入的是加速度曲線，輸出的同樣也是加速度曲線，通過對比加速度響應(yīng)與輸入的放大倍數(shù)，對其動態(tài)性能進(jìn)行評估[5]。

正弦振動分析主要考察單機(jī)承受正弦振動的能力。首先在初始部分別對整體模型施加沿Y向?yàn)?9 800 m/s2及-9800 m/s2的重力加速度，即考慮重力影響。側(cè)面探測器的正弦振動有限元分析分別進(jìn)行了三個(gè)方向的激勵(lì)輸入，其分析是基于模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，正弦振動實(shí)驗(yàn)條件如表4所示，由此計(jì)算得出輸入加速度曲線。三個(gè)方向單獨(dú)加載，得到各采樣點(diǎn)的輸出結(jié)果，由于正弦振動關(guān)心每一個(gè)部件上的力學(xué)特性輸出，所以每個(gè)部件上至少取1個(gè)采樣點(diǎn)。由于后續(xù)的計(jì)算分析要分析響應(yīng)與激勵(lì)的關(guān)系，因此選擇有限元模型的固定點(diǎn)作為激勵(lì)條件的輸出點(diǎn)。采樣點(diǎn)共13個(gè)點(diǎn)，如圖6所示。X方向振動時(shí)加速度響應(yīng)結(jié)果如圖7、圖8所示。

表4 正弦振動實(shí)驗(yàn)條件

圖6 有限元模型采點(diǎn)示意圖

圖7 Y向+9800 m/s2重力加速度X方向振動時(shí)各點(diǎn)的加速度響應(yīng)

圖8 Y向-9800 m/s2重力加速度X方向振動時(shí)各點(diǎn)的加速度響應(yīng)

由分析結(jié)果得，在100 Hz以內(nèi)，各點(diǎn)處對三個(gè)方向激勵(lì)輸入的響應(yīng)均有所放大；在接近78 Hz時(shí)，塑料閃爍板、鉭板和外殼對輸入有一定放大，放大最多的是鋁制外殼，方向?yàn)閄向，放大約1.05倍，加速度響應(yīng)值約5.25g；整個(gè)結(jié)構(gòu)在100 Hz以內(nèi)3個(gè)方向的振動特性較好。

3.4 隨機(jī)振動分析

衛(wèi)星起飛時(shí)噴氣噪聲和飛行過程中的氣動噪聲會對有效載荷造成激勵(lì)，為研究模型在該種激勵(lì)情況下的動態(tài)性能，故對其進(jìn)行隨機(jī)振動分析。隨機(jī)振動分析時(shí)，輸入的是加速度功率譜密度曲線，輸出的是加速度功率譜密度曲線和總均方根加速度曲線，通過對比總均方根加速度曲線響應(yīng)與輸入的放大倍數(shù)，對其動態(tài)性能進(jìn)行評估[6]。

側(cè)面探測器隨機(jī)振動分析同樣基于上述模態(tài)分析的模型完成，分別考慮沿Y向?yàn)?9 800 m/s2和-9 800 m/s2的重力加速度情況下進(jìn)行了三個(gè)方向的激勵(lì)分析。力學(xué)特性輸出點(diǎn)采用正弦振動分析中的輸出點(diǎn)，激勵(lì)的方式采用輸入加速度功率譜密度曲線的方式，如圖9所示，Z向隨機(jī)振動響應(yīng)如圖10、圖11所示。

圖9 加速度功率譜密度曲線

圖10 Y向+9800 m/s2重力加速度Z向隨機(jī)振動響應(yīng)

圖11 Y向-9800 m/s2重力加速度Z向隨機(jī)振動響應(yīng)

由分析結(jié)果得：在X向、Y向激勵(lì)作用下，最大總均方根分別為23.75 grms、32.67 grms，放大不明顯，說明側(cè)面探測器在X向、Y向具有較好的剛度，能夠較好的滿足側(cè)面探測器振動特性要求；在Z向激勵(lì)作用下，最大總均方根為60.56 grms，最大位置發(fā)生在鉭板上，在低頻段的抗振特性沒有X和Y向好。

4 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星側(cè)面探測器在靜載作用下整體結(jié)構(gòu)變形很小，具有良好的剛度，符合靜力學(xué)強(qiáng)度安全要求；由模態(tài)計(jì)算結(jié)果可得探測器第1階固有頻率為383.83 Hz，滿足《規(guī)范》中設(shè)備基頻大于100 Hz的設(shè)計(jì)要求；通過正弦、隨機(jī)振動分析得出整個(gè)結(jié)構(gòu)在3個(gè)方向的振動特性較好，能夠較好的滿足側(cè)面探測器振動特性要求；本研究驗(yàn)證了側(cè)面探測器的動態(tài)性能滿足設(shè)計(jì)要求，并為側(cè)面探測器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1]柯受全.衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬試驗(yàn)[M].北京：中國宇航出版社，2009.

[2]梁君，趙登峰.模態(tài)分析方法綜述[J].現(xiàn)代制造工程，2006（08）：139-141.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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Dynamic Performance Analysis of HXMT Satellite Side Detector

YAN Xu，MENG Chun-ling，ZHANG Gang，DENG Da-ren，MA Li-peng
（School of Materials Science and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

In order to study the dynamic performance of hard X-ray telescope（HXMT）satellite side detector，the finite element method is used to analyze the static model of the side detector in this paper.The paper contains the modal analysis，the sinusoidal vibration analysis and the stochastic vibration analysis by using the large-scale general finite element analysis software ABAQUS，and also the research of the side detector in complicated working condition dynamic performance.By calculation，the side detector base frequency is greater than 100Hz，rigidity and vibration performance is better，to meet the design requirements.The research work provides the theoretical basis for the optimization design of the side detector.

side detector；finite element method；dynamic performance；optimization design

TP391.9

：A

：1672-545X（2017）01-0123-05

2016-10-09

閆旭（1990-），女，北京人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真。