【doc】 Hα与白光望远镜的结构模态分析和改进设计

【doc】 Hα与白光望远镜的结构模态和改进 Hα与白光望远镜的结构模态分析和改进设 计 第35卷第4期 2005年7月 东南大学(自然科学版) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vo1.35NO.4 July2005 Ho【与白光望远镜的结构模态分析和改进设计 陈志远钱瑞明陈志平杨世模薛俊荪4 (中国科学院国家天文台,北京100012) (东南大学机械T程系,南京210096) (中国科学院研究生院,北京1130039) (南京天文光学技术研究所,南京210042) (杭州电子科技大学机电工程学院,杭州310018) 摘要:运用有限元分析软件MSC.PATRAN/NAsTRAN建立了Hol与白光望远镜的有限元模 型,采用特征向量法求得前四阶固有频率和振型.用自由悬挂和单点激振多点拾振的模态试验方 法,获得了该结构的模态参数.试验结果与计算结果对比表明,两者模 态参数的最大误差为 6.4%,振型相似.以提高基频,减轻质量为目标,对望远镜结构进行了 优化计算,根据优化结果对 结构进行了改进设计. 关键词:Hol与白光望远镜;模态分析;模态试验;优化设计 中图分类号:TH753文献标识码:A文章编 号:1001—0505(2005)04~541-04 ModalanalysisanddesignimprovementonHotandwhitelighttelescope ChenZhiyuan?QianRuimingChenZhiping’YangShimoXueJunsun (NationalAstronomicalObservatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100012,China) (DepartmentofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) (GraduateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China) (NanjingInstituteofAstronomicalOpticsandTechnology,Nanjing210042,China) (MechatronicCollege,HangzhouDianziUniverslty,Hangzhou310018,China) Abstract:Inordertorealizethemechanica1characteristicsofHolandwhitelighttelescope(HWT), theanalytica1mode1ofHWTiSsetupbyusingthefiniteelementanalysissoftwareMSC.PATRAN/ NASTRAN.andthefirstsevera1ordersofnatura1frequenciesandmoda1shapesarecalculatedwith eigenvectorsmethod.Basedonmodalexperimentwithfreehanging,singlein output put/multi— methods.themoda1parametersofHWTareidentified.Themaximumrelativeerrorbetweenthe experimentresultsandthecalculatedresultsiS6.4%.andthevibrationshapesfromexperimentare similartothosefromcalculation.InordertojncreasebasefrequencyandreduceweightofHWT. structura1optimizationanddesignimprovementdesignarecarriedout. Keywords:Haandwhitelighttelescope;modalanalysis;modalexperiment;optimaldesign Hol和白光望远镜(Holandwhitelighttele— scope,HwT)作为空间太阳望远镜(spacesolartel— escope).2的有效载荷之一,主要承担在2个波段 上观测,采集全Et面太阳像以及进行耀斑判别并为 主光学望远镜提供太阳耀斑爆发位置信息的任务. 考虑望远镜的总体结构刚度及工作时的稳定 收稿日期:2004.11.10. 基金项目:中国科学院知识创新工程资助项目(KJCX2?T01). 作者简介:陈志远(1973一),男,博士,高级工程师,sat@sst.bao 性,望远镜主体设计成矩形框架结构(见图1).在 框架结构的最前端,安装光楔移像镜系统和卡赛格 林系统的主,副镜及像场改正镜;在主体框架后部 的矩形箱体内,有一个基准平面,用于安装准直镜 系统,Hol滤光器,Hol成像镜系统,CCD相机,析光 棱镜座,白光成像镜系统等光学件. 由于空间飞行器具有严格的动态特性要求,因 此在HwT的光机结构设计过程中,必须进行模态 分析与模态试验J.本文根据HWT的结构特点, 对其进行有限元模态计算分析和模态试验,在分析 542东南大学(自然科学版)第35卷 蓑结果的基础上,对HWT2试验研究进行结构优化和改进设计. 7 图1HWT的有限元计算模型 1有限元计算 HwT的基本结构参数为J:结构总长度1720 mm,镜筒尺寸&150llql/1×330mm,方箱尺寸200 mm×300mm×1260mm,质量46kg;结构件材料 采用钛合金TA7,密度P=4650kg/m,泊松比= 0.247,弹性模量E=101GPa. 使用MSC.PATRAN对HwT建立图1所示 有限元模型.模型共有3163个节点,782个梁单 元,2675个三角形单元,1361个四边形单元. 针对HwT的自由状态工况,利用MSC.NAS— TRAN软件进行计算,剔除6个刚体模态(0Hz) 后,计算所得的HwT前四阶振型如图2所示. (a)一阶振型(42.24Hz):方箱主框扭摆 (b)二阶振型(53.92Hz):方箱主框摆动 (c)三阶振型(57.07Hz):方箱主框上部相对摆动 (d四阶振型(60.55Hz):方箱主框单边摆动 图2模态分析前四阶振型图 2.1试验原理与测点布置 在对HwT进行模态试验时,使用橡皮绳悬吊 来模拟自由悬挂支撑].悬吊工具采用天车和吊 架组合,橡皮绳外径14mm,内径8mm,共8根,每 根长度3.4m.试验原理如图3所示 \榜应I力传感器SCADASlllCADA.X35D 鹃曛数据采集模态试验处理前端分析软件 图3试验原理图 在确定HwT上的测点位置时,应考虑模态计 算的振型特点,除在感兴趣区域增加响应点外,还 应使响应点尽可能均匀分布.试验结构的几何模型 如图4所示,模型共有52个节点.由于节点数大于 传感器和通道数,所以分批测量,然后将测量结果 进行综合处理分析.采用单点随机激励,激振点位 置在节点23,激振器激振方向沿+Y方向. 图4CADA—X几何模型 2.2试验结果 使用CADA—X的ModalAnalysis模块进行数 据处理和模态分析,得到的模态参数依次为:一阶 39.70Hz,阻尼0.11%;二阶52.2Hz,阻尼 0.67%;三阶55.54Hz,阻尼0.55%;四阶60.19 Hz,阻尼0.52%.各阶振型模态如图5所示. 试验结果与计算结果列于表1,结果对比显示 模态参数的最大相对误差为6.4%,说明计算结果 可信.下面使用模态置信准则(modalassurancecri— teflon.MAC)对试验结果进行验证. 表1计算结果与试验结果的对比 当2个模态频率相近时,如果其MAC值高则 表明至少结构上有2部分模态很相似.如表2所 第4期陈志远,等:Ha与白光望远镜的结构模态分析和改进设计543 示,MAC最高值为31,6%,发生在第2和第4阶 模态间,其余MAC值都很小,说明试验得到的模 态没有明显的测量误差, (d)四阶振型(60.19Hz) 图5模态试验前四阶振型图 表2模态试验置信准则(MAC值)% 项目(模 0H 态 z)(0 模 H 态 z)(4 模 H 态 z)(6 四 0 阶 . 1 模 9H 态 z) 3设计改进 HwT的结构应满足空间光学仪器设计要求: 结构动态特性好,HwT的动态基频应大于50Hz, 同时质量要小.现HwT试验样机在自由状态下的 模态基频不能满足设计要求,而且HwT的质量为 46kg,超过了设计任务规定的要求,所以应对 HwT进行结构优化和改进. 由于HwT的光学系统已经确定,在现有的机 构设计中对整体结构尺寸进行优化的余地很 小,所以主要考虑各部套质量优化,即在保持各部 套位置和方箱主框结构形式不变的前提下,以基频 要求和刚性要求为约束,以质量小为目标进行结构 优化, . 首先以机械结构设计方案为基础,优化HwT 的结构质量,计算结构的自由模态,结构的质量和 自振频率如表3中计算结果1所示,经过此次优化 计算后,基频仍小于50Hz,需要对HwT的结构进 一 步优化,提高HwT的频率.试验振型和有限元 计算振型都显示HwT的方箱主框是结构的薄弱 环节,主要原因是方箱主框的上部没有角架连接, 主框的整体刚度比较差,因此在HwT方箱主框上 部焊接加强筋,如图6所示.使用MSC.NASTRAN 建立新的HwT分析模型,计算结构的自由模态, 质量和自振频率如表3计算结果2所示. (a)未焊接加强筋的方箱主框 Z (b)焊接加强筋的方箱主框 图6方箱主框的结构改进 在质量优化后的模型上添加加强筋,再计算结 构的自由模态,质量和自振频率,如表3计算结果 3所示. 表3HWT结构优化结果 计算结果1显示,在仅优化HwT的质量,未 焊接加强筋的情况下,基频降低了4.6%,质量减 少了22.6%.计算结果2显示,在HwT方箱主框 上焊接加强筋,在未进行质量优化的情况下基频提 高了18.6%.计算结果3显示,同时进行质量优化 和结构改进,基频提高l8.6%. 东南大学(自然科学版)第35卷 4结论 1)对于自由状态下HWT的前四阶模态频 率,模态试验结果和有限元分析计算结果接近,且 振型吻合很好,其中模态频率相对误差最大 6.4%.说明有限元计算和试验方法可以互相印证. 2)由计算结果分析判断,HwT基频主要由方 箱主框的结构形式确定,HwT中各光学部套质量 和位置分布对基频影响很小,所以在以后的改型设 计中,重点是方箱主框的结构优化. 3)通过HwT的模态分析与试验,获得了 HwT的动力特性,并在此基础上对结构进行了改 进,提高了HwT的结构基频.为下一步开展HwT 的振动环境模拟试验和空间太阳望远镜中其他有 效载荷的力学分析与试验奠定了基础. [2] 参考文献(References) AiGX.Progressonspacesolartelescope[J].Ad- vancesinSpaceResearch,1998,21(1):305—314. AiGX,JinSZ,WangS,eta1.Newprogresson spacesolartelescope[J].AdvancesinSpaceRe— search,2002,29(12):205l一2054. [3]薛俊荪.Hct与白光望远镜设计报告[R].南京:南京 天文光学技术研究所.2003. [4]张林波,任戈,陈洪斌.大口径望远镜水平轴系的 模态分析[J].光电1二程,2003,30(2):8一l0. ZhangLinbo,RenGe,ChenHongbin.Modalanalysis aperturetelescope[J]. forhorizontalshaftingofalarge— Opto—ElectronicEngineering,2003,30(2):8一l0. 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