星载天线指向机构模态分析与试验研究

沈 亮，陈 欢，李 源，李舒扬，张庆茹，王 浩

(上海宇航系统工程研究所，上海 201100)

天线指向机构是对给定目标进行跟踪或指向调节的机构，通常应用于航天器的测控数传分系统。星载天线指向机构在运载发射主动段或外界激振力的影响下会产生振动，为避免共振和结构破坏等对天线指向精度产生影响，天线指向机构设计时需要考虑其结构特性和振动特性[1]。

模态分析和模态试验是研究天线指向机构结构振动的常用方法，用于确定机构的固有频率和振型，是结构设计改进的依据。国内外许多学者从有限元仿真分析和模态试验两方面对天线指向机构模态研究做了大量工作[2-4]，得到其振动模态参数，为分析振动引起的机构损坏、指向精度超差等故障提供了参考依据。模态分析和模态试验各有不足，模态分析计算时，有些参数如接触面特征很难确定，使得计算结果有一定的误差，而模态试验在具体应用时往往会存在局限性[5-6]。

本文有效地结合了模态分析和模态试验方法的优点，采用Pro/E软件对典型天线指向机构进行三维建模，利用ANSYS有限元仿真平台、模态测试系统分别对天线指向机构进行了模态分析和模态试验，得到各阶的模态参数，为天线指向机构优化设计提供依据，对于天线指向精度的提高具有一定的实际意义[7]。

1 天线指向机构结构设计

本文以某卫星数传天线指向机构为例说明其结构设计，在收拢状态下X,Y,Z向一阶固有频率要求大于45 Hz。图1为数传天线指向机构收拢状态三维结构图，其机械结构部分主要包括底座、二维指向机构、压紧释放机构和反射面天线。其中二维指向机构X,Y轴分别采用单U型框架连接底座和反射面天线，X,Y轴之间通过双U型框架连接，框架设计时采用加强筋提高整体刚度，并在非承载处开减重槽减轻产品质量，框架材料选用锻铝合金2Al4，框架具体结构如图2所示。

图1 天线指向机构三维结构图

底座采用一体化设计，材料同样采用锻铝合金2Al4，在保证天线指向机构安装精度的同时，使机构具有质量轻、力学性能佳的优点。底座一端与X轴U型框架连接，一端通过压紧释放机构和Y轴U型框架连接，设计时根据二维指向机构框架的尺寸尽量降低高度。压紧释放机构为天线压紧固定装置，其本身为火工品装置，是天线指向机构内部的主要承载部件，因此压紧释放机构转接件采用钛合金TC4材料。

图2 二维指向机构框架结构图

天线指向机构各部件材料参数见表1。

表1 天线指向机构材料特性

2 天线指向机构模态分析

利用Pro/E 5.0建立天线指向机构三维模型，将模型导入ANSYS软件，采用软件自带的网格划分模块对机构进行网格划分，并对天线指向机构收拢状态的模态进行有限元分析。天线指向机构有限元网格模型如图3所示。

图3 天线指向机构有限元模型

通过ANSYS经典界面的Modal模块求解指向机构的模态，机构前四阶频率见表2。

天线指向机构前四阶振型如图4所示。

表2 天线指向机构模态分析结果

图4 天线指向机构前四阶振型图

从表2和图4可知，1阶和2阶振型为反射面在X和Y两正交方向的振动，在反射面边缘变形量达到最大；3阶振型为二维指向机构及反射面整体沿Z向振动；4阶振型为二维指向机构及反射面整体沿Z向振动，同时绕Z轴扭转，最大变形出现在反射面边缘。

3 天线指向机构模态试验

3.1 模态试验

模态试验是通过检测与控制仪器对系统运行过程中呈现出来的响应信号进行测量，以此求解出振动特性的频响函数，最后利用参数识别的方式得到系统的模态参数和物理参数[8]。

本文试验使用激振器对机构X向和Z向分别进行激励，采用单点随机激励法，使机构产生响应，通过机构表面的传感器求得机构的响应参数，测试系统原理图如图5所示。

图5 测试系统原理框图

天线指向机构处于如图1所示的收拢状态，试验前天线指向机构通过螺栓安装在振动试验工装上，各压紧点螺栓处于拧紧状态，振动工装通过M16螺栓以及压板与铸铁圆盘固定，试验实际状态如图6所示。

图6 天线指向机构试验状态

试验过程中采用Dytron3263M9型三向加速度传感器(灵敏度为100 mV/g，频响范围0.4～1 000 Hz)，为保护产品表面热控涂层，粘贴传感器时先在产品上粘贴3M胶带。采用MB-50A型激振器作为激振源，采用PCB 208C02型力传感器，激振杆选用柔性杆。测试设备选用西门子64通道LMS SCADAS Ⅲ数据采集系统。

测点布置情况如图7所示，测点编号为1～19，试验时激励位置选在9号点，分两次分别进行+X、+Z向激励，其余点为固支标记点。

图7 天线指向机构试验测点布置方案

3.2 模态试验结果

采用频域模态分析法时，模态参数的提取包括频率响应函数的估算和模态参数的处理提取两个阶段。对于随机激励，根据激振力互谱密度和激振力自谱密度之比计算频率响应函数，并采用多参考基法来确定模态参数。

试验结束后，利用LMS Test lab对两激励方向响应结果进行综合分析，模态试验结果见表3。

表3 天线指向机构模态试验结果

频率响应函数(实线)及模态指示函数MIF(虚线)如图8和图9所示，前四阶振型如图10所示。由图可知，本文试验实测频率响应函数曲线光滑，模态峰值特征明显，主振模态振型所对应的模态指示函数MIF值小于0.1，所测数据品质较佳。

图8 频率响应及模态指示函数(激励点9:+X)

图9 频率响应及模态指示函数(激励点9:+Z)

图10 天线指向机构前四阶振型图

通过对比天线指向机构模态有限元分析结果和模态试验结果可知，模态分析和试验结果前四阶模态振型一致，各阶固有频率误差均在6%以内，从而验证了模态分析的有效性，为以后的分析计算奠定了基础。

有限元分析基于线性理论，忽略了阻尼特性，而实际机构在模态试验过程中存在多种非线性的阻尼特性，比如各零部件的接触参数、安装面的约束特性等，这些因素导致有限元分析结果和试验结果产生误差，但是总体振型对应一致，能较准确反映机构的动态特性。

4 结论

本文结合模态分析和模态试验，研究了天线指向机构收拢状态下的振动特性，根据其固有频率和振型分布得出以下结论：

1) 根据模态分析和试验结果可知，该天线指向机构1阶固有频率大于100 Hz，远大于一般星体振动频率，结构设计合理。

2) 仿真分析结果与试验结果前四阶模态振型一致，各阶固有频率的误差均在6%以内，验证了模态分析的有效性，对后续同类产品的模态分析具有借鉴意义。