HXMT衛星側面探測器的動態性能分析

閆旭，孟春玲，張剛，鄧達人，馬立鵬

（北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048）

HXMT衛星側面探測器的動態性能分析

閆旭，孟春玲，張剛，鄧達人，馬立鵬

（北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048）

為研究硬X射線調制望遠鏡（HMXT）衛星側面探測器是否滿足航空設計要求，對其進行動態性能分析。采用有限元方法，利用大型通用有限元分析軟件ABAQUS，對側面探測器整體模型進行了超載靜力分析、模態分析、正弦振動分析以及隨機振動分析，研究側面探測器在復雜工況下的動態性能。通過計算，側面探測器基頻大于100Hz，剛性及振動性能較好，滿足設計要求。研究工作為側面探測器的優化設計提供了理論依據。

側面探測器；有限元方法；動態性能；優化設計

航空飛行器在發射過程中要受到相應的慣性力、正弦振動和隨機振動，要求起支撐作用的探測器結構具有足夠的剛度、強度和優良的動態性能[1]。模態是機械結構的固有振動特性，模態分析是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法[2]。本文采用有限元方法，建立了比較準確的有限元模型，研究側面探測器在超載及各種振動激勵條件下的動態性能。通過對側面探測器進行超載靜力分析、模態分析、正弦振動分析及隨機振動分析，驗證了側面探測器的動態性能滿足設計要求，以及其機械結構設計和抗力學性能合理可靠，證明了側面探測器各部件及組裝結構能夠滿足力學環境要求，為側面探測器的進一步優化設計提供了理論依據。

1 側面探測器的結構組成

側面探測器整體結構復雜，由端蓋、橡膠墊、外殼、屏蔽罩、光電倍增管、有機玻璃、鉭板、塑料閃爍版、螺母等部件組成，具體結構如圖1所示。

圖1 側面探測器整體結構示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 側面探測器的有限元建模

為研究側面探測器的動態性能，對其進行有限元建模，側面探測器各部分均采用實體單元。由于實際結構復雜，需要根據其結構特點，對實際結構進行簡化處理[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、有機玻璃等，以質量點的形式加到距鋁外殼中心向上52 mm的位置，質量為239 g.對簡化后的模型進行有限元分析，有限元模型如圖2所示。

圖2 側面探測器的有限元模型

2.2 構件間連接關系的建立

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MPC-beam與上層鉭板固接在一起。為模擬螺栓的連接作用，將結構中上下各10個螺栓頭與接觸部分、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材料參數的設置

對側面探測器各部件進行材料屬性的設置，各部件材料參數如表1所示。

表1 各部件材料參數

2.4 位移邊界條件的設定

由于側面探測器是是通過底面10個螺栓安裝在基礎設備上的，所以約束底面所有螺栓頭的六個自由度。

3 側面探測器的動態性能分析

3.1 靜力分析

側面探測器靜力分析主要模擬實驗中的過載實驗，所施加的載荷為慣性載荷，即在整個模型上施加慣性加速度。由于過載實驗時在載荷達到預定的要求并保持規定的時間，這一過程與靜力實驗類似，因此采用靜力分析的方法進行模擬計算?？疾焯綔y器整體的變形及等效應力，側面探測器超載實驗條件為：3個方向均受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力值及位移值如表2所示。

圖3 側面探測器的總位移

表2 不同材料部件的最大應力、位移

側面屏蔽探測器整體結構最大的應力為29.73 MPa，各部件的最大應力均小于材料的許用應力；探測器整體最大位移為0.043 65 mm，在靜載作用下整體結構變形很小，具有良好的剛度，符合靜力學強度安全要求。

3.2 模態分析

模態是機械結構固有振動特性，每一階模態具有特定的固有頻率、阻尼與模態振型。模態分析是研究結構動力特性的一種方法，通過模態分析可以預測產品的動態特性，為結構優化提供依據，因此在工程領域應用廣泛[4]。通過有限元計算得出側面探測器前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

通過以上模態計算可得，側面探測器的第1階固有頻率的頻率值為383.83 Hz，滿足基頻大于100 Hz的設計要求。

3.3 正弦振動分析

衛星發動機工作時產生的激勵頻率一般低于100 Hz，為研究模型在該種激勵情況下的動態性能，對其進行正弦振動分析。正弦振動分析時，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與輸入的放大倍數，對其動態性能進行評估[5]。

正弦振動分析主要考察單機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向為+9 800 m/s2及-9800 m/s2的重力加速度，即考慮重力影響。側面探測器的正弦振動有限元分析分別進行了三個方向的激勵輸入，其分析是基于模態分析的基礎上，正弦振動實驗條件如表4所示，由此計算得出輸入加速度曲線。三個方向單獨加載，得到各采樣點的輸出結果，由于正弦振動關心每一個部件上的力學特性輸出，所以每個部件上至少取1個采樣點。由于后續的計算分析要分析響應與激勵的關系，因此選擇有限元模型的固定點作為激勵條件的輸出點。采樣點共13個點，如圖6所示。X方向振動時加速度響應結果如圖7、圖8所示。

表4 正弦振動實驗條件

圖6 有限元模型采點示意圖

圖7 Y向+9800 m/s2重力加速度X方向振動時各點的加速度響應

圖8 Y向-9800 m/s2重力加速度X方向振動時各點的加速度響應

由分析結果得，在100 Hz以內，各點處對三個方向激勵輸入的響應均有所放大；在接近78 Hz時，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，方向為X向，放大約1.05倍，加速度響應值約5.25g；整個結構在100 Hz以內3個方向的振動特性較好。

3.4 隨機振動分析

衛星起飛時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，為研究模型在該種激勵情況下的動態性能，故對其進行隨機振動分析。隨機振動分析時，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與輸入的放大倍數，對其動態性能進行評估[6]。

側面探測器隨機振動分析同樣基于上述模態分析的模型完成，分別考慮沿Y向為+9 800 m/s2和-9 800 m/s2的重力加速度情況下進行了三個方向的激勵分析。力學特性輸出點采用正弦振動分析中的輸出點，激勵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向隨機振動響應如圖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向隨機振動響應

圖11 Y向-9800 m/s2重力加速度Z向隨機振動響應

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

4 結束語

HXMT衛星側面探測器在靜載作用下整體結構變形很小，具有良好的剛度，符合靜力學強度安全要求；由模態計算結果可得探測器第1階固有頻率為383.83 Hz，滿足《規范》中設備基頻大于100 Hz的設計要求；通過正弦、隨機振動分析得出整個結構在3個方向的振動特性較好，能夠較好的滿足側面探測器振動特性要求；本研究驗證了側面探測器的動態性能滿足設計要求，并為側面探測器的進一步優化設計提供了理論依據。

[1]柯受全.衛星環境工程和模擬試驗[M].北京：中國宇航出版社，2009.

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

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]呂端，曾東建，于曉洋，等.基于ANSYS Workbench的V8發動機曲軸有限元模態分析[J].機械設計與制造，2012（8）：11-13.

[5]吳念朋.暗物質硅陣列探測器的動態性能分析[D].北京：北京工商大學，2014：29-31.

[6]李亮，岳紀東，張煒，等.基于有限元的軸承組件動態性能分析[J].軸承，2014，（05）：8-11.

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：機械結構仿真。