HXMT卫星侧面探测器的动态性能分析

闫旭，孟春玲，张刚，邓达人，马立鹏

（北京工商大学材料与机械工程学院，北京100048）

HXMT卫星侧面探测器的动态性能分析

闫旭，孟春玲，张刚，邓达人，马立鹏

（北京工商大学材料与机械工程学院，北京100048）

为研究硬X射线调制望远镜（HMXT）卫星侧面探测器是否满足航空设计要求，对其进行动态性能分析。采用有限元方法，利用大型通用有限元分析软件ABAQUS，对侧面探测器整体模型进行了超载静力分析、模态分析、正弦振动分析以及随机振动分析，研究侧面探测器在复杂工况下的动态性能。通过计算，侧面探测器基频大于100Hz，刚性及振动性能较好，满足设计要求。研究工作为侧面探测器的优化设计提供了理论依据。

侧面探测器；有限元方法；动态性能；优化设计

航空飞行器在发射过程中要受到相应的惯性力、正弦振动和随机振动，要求起支撑作用的探测器结构具有足够的刚度、强度和优良的动态性能[1]。模态是机械结构的固有振动特性，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法[2]。本文采用有限元方法，建立了比较准确的有限元模型，研究侧面探测器在超载及各种振动激励条件下的动态性能。通过对侧面探测器进行超载静力分析、模态分析、正弦振动分析及随机振动分析，验证了侧面探测器的动态性能满足设计要求，以及其机械结构设计和抗力学性能合理可靠，证明了侧面探测器各部件及组装结构能够满足力学环境要求，为侧面探测器的进一步优化设计提供了理论依据。

1 侧面探测器的结构组成

侧面探测器整体结构复杂，由端盖、橡胶垫、外壳、屏蔽罩、光电倍增管、有机玻璃、钽板、塑料闪烁版、螺母等部件组成，具体结构如图1所示。

图1 侧面探测器整体结构示意图

2 有限元模型的建立

2.1 侧面探测器的有限元建模

为研究侧面探测器的动态性能，对其进行有限元建模，侧面探测器各部分均采用实体单元。由于实际结构复杂，需要根据其结构特点，对实际结构进行简化处理[3]。建立MPC模拟铝外壳与外壳的螺栓连接，对于一些非有限元分析重点的部件，如连接插件、高压模块、电路板、光电倍增管、橡胶圈、有机玻璃等，以质量点的形式加到距铝外壳中心向上52 mm的位置，质量为239 g.对简化后的模型进行有限元分析，有限元模型如图2所示。

图2 侧面探测器的有限元模型

2.2 构件间连接关系的建立

端盖与外壳、外壳与屏蔽罩以及外壳与铝外壳之间建立绑定（Tie）连接，铝外壳通过4个MPC-beam与上层钽板固接在一起。为模拟螺栓的连接作用，将结构中上下各10个螺栓头与接触部分、螺栓所穿过部分各层之间依次建立绑定连接，外壳、橡胶垫、钽板、塑料闪烁板、等除绑定部分外建立摩擦接触。

2.3材料参数的设置

对侧面探测器各部件进行材料属性的设置，各部件材料参数如表1所示。

表1 各部件材料参数

2.4 位移边界条件的设定

由于侧面探测器是是通过底面10个螺栓安装在基础设备上的，所以约束底面所有螺栓头的六个自由度。

3 侧面探测器的动态性能分析

3.1 静力分析

侧面探测器静力分析主要模拟实验中的过载实验，所施加的载荷为惯性载荷，即在整个模型上施加惯性加速度。由于过载实验时在载荷达到预定的要求并保持规定的时间，这一过程与静力实验类似，因此采用静力分析的方法进行模拟计算。考察探测器整体的变形及等效应力，侧面探测器超载实验条件为：3个方向均受8g的重力加速度。整体位移分布如图3所示，不同材料部件的最大应力值及位移值如表2所示。

图3 侧面探测器的总位移

表2 不同材料部件的最大应力、位移

侧面屏蔽探测器整体结构最大的应力为29.73 MPa，各部件的最大应力均小于材料的许用应力；探测器整体最大位移为0.043 65 mm，在静载作用下整体结构变形很小，具有良好的刚度，符合静力学强度安全要求。

3.2 模态分析

模态是机械结构固有振动特性，每一阶模态具有特定的固有频率、阻尼与模态振型。模态分析是研究结构动力特性的一种方法，通过模态分析可以预测产品的动态特性，为结构优化提供依据，因此在工程领域应用广泛[4]。通过有限元计算得出侧面探测器前10阶固有频率如表3所示，前6阶振型如图4、图5所示。

表3 前10阶固有频率及振型描述

图4 第1-3阶固有频率振型云图

图5 第4-6阶固有频率振型云图

通过以上模态计算可得，侧面探测器的第1阶固有频率的频率值为383.83 Hz，满足基频大于100 Hz的设计要求。

3.3 正弦振动分析

卫星发动机工作时产生的激励频率一般低于100 Hz，为研究模型在该种激励情况下的动态性能，对其进行正弦振动分析。正弦振动分析时，输入的是加速度曲线，输出的同样也是加速度曲线，通过对比加速度响应与输入的放大倍数，对其动态性能进行评估[5]。

正弦振动分析主要考察单机承受正弦振动的能力。首先在初始部分别对整体模型施加沿Y向为+9 800 m/s2及-9800 m/s2的重力加速度，即考虑重力影响。侧面探测器的正弦振动有限元分析分别进行了三个方向的激励输入，其分析是基于模态分析的基础上，正弦振动实验条件如表4所示，由此计算得出输入加速度曲线。三个方向单独加载，得到各采样点的输出结果，由于正弦振动关心每一个部件上的力学特性输出，所以每个部件上至少取1个采样点。由于后续的计算分析要分析响应与激励的关系，因此选择有限元模型的固定点作为激励条件的输出点。采样点共13个点，如图6所示。X方向振动时加速度响应结果如图7、图8所示。

表4 正弦振动实验条件

图6 有限元模型采点示意图

图7 Y向+9800 m/s2重力加速度X方向振动时各点的加速度响应

图8 Y向-9800 m/s2重力加速度X方向振动时各点的加速度响应

由分析结果得，在100 Hz以内，各点处对三个方向激励输入的响应均有所放大；在接近78 Hz时，塑料闪烁板、钽板和外壳对输入有一定放大，放大最多的是铝制外壳，方向为X向，放大约1.05倍，加速度响应值约5.25g；整个结构在100 Hz以内3个方向的振动特性较好。

3.4 随机振动分析

卫星起飞时喷气噪声和飞行过程中的气动噪声会对有效载荷造成激励，为研究模型在该种激励情况下的动态性能，故对其进行随机振动分析。随机振动分析时，输入的是加速度功率谱密度曲线，输出的是加速度功率谱密度曲线和总均方根加速度曲线，通过对比总均方根加速度曲线响应与输入的放大倍数，对其动态性能进行评估[6]。

侧面探测器随机振动分析同样基于上述模态分析的模型完成，分别考虑沿Y向为+9 800 m/s2和-9 800 m/s2的重力加速度情况下进行了三个方向的激励分析。力学特性输出点采用正弦振动分析中的输出点，激励的方式采用输入加速度功率谱密度曲线的方式，如图9所示，Z向随机振动响应如图10、图11所示。

图9 加速度功率谱密度曲线

图10 Y向+9800 m/s2重力加速度Z向随机振动响应

图11 Y向-9800 m/s2重力加速度Z向随机振动响应

由分析结果得：在X向、Y向激励作用下，最大总均方根分别为23.75 grms、32.67 grms，放大不明显，说明侧面探测器在X向、Y向具有较好的刚度，能够较好的满足侧面探测器振动特性要求；在Z向激励作用下，最大总均方根为60.56 grms，最大位置发生在钽板上，在低频段的抗振特性没有X和Y向好。

4 结束语

HXMT卫星侧面探测器在静载作用下整体结构变形很小，具有良好的刚度，符合静力学强度安全要求；由模态计算结果可得探测器第1阶固有频率为383.83 Hz，满足《规范》中设备基频大于100 Hz的设计要求；通过正弦、随机振动分析得出整个结构在3个方向的振动特性较好，能够较好的满足侧面探测器振动特性要求；本研究验证了侧面探测器的动态性能满足设计要求，并为侧面探测器的进一步优化设计提供了理论依据。

[1]柯受全.卫星环境工程和模拟试验[M].北京：中国宇航出版社，2009.

[2]梁君，赵登峰.模态分析方法综述[J].现代制造工程，2006（08）：139-141.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]吕端，曾东建，于晓洋，等.基于ANSYS Workbench的V8发动机曲轴有限元模态分析[J].机械设计与制造，2012（8）：11-13.

[5]吴念朋.暗物质硅阵列探测器的动态性能分析[D].北京：北京工商大学，2014：29-31.

[6]李亮，岳纪东，张炜，等.基于有限元的轴承组件动态性能分析[J].轴承，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

闫旭（1990-），女，北京人，硕士研究生，研究方向：机械结构仿真。