某空间小型镜头关键结构的动力学分析

    1 概 述

    随着科学技术的飞速发展, 各种工程结构和工业产品向小型、高速、大功率、高性能、高精度和轻结构方向发展, 使得动力学问题越来越突出, 越来越严重。

    空间小型镜头主要由石英透镜、次镜、主镜、三面透镜以及 CCD 窗口等组成, 其关键结构为次镜支撑架, 由于该结构要经受从地面装配试验到轨道空间等一系列复杂力学环境的考验, 则必须对其进行动力学分析, 以确保其机械强度和刚度。这对支撑架是否能满足设计要求, 达到设计性能指标以及最终能否在轨正常工作至关重要。

    2 分析模型

    2.1 有限元模型的建立

    在 MSC.Patran 中建立有限元模型, 如图 1 所示。采用10 节点四面体单元划分网格, 共产生 11633 个 Node,5634 个 Element。

    三向定义: X 轴主光轴正方向为次镜指向主镜, Z 轴垂直主光轴, Y 轴由右手定则确定。

    2.2 模型的材料

    结构的材料采用铟钢, 其力学性能如下: E=141GPa;材料泊松比: μ=0.25; 材料密度: ρ=8.1×10³kg/m³。

    2.3 边界条件

    固定约束支撑架四周 6 个自由度, 两侧均有压圈固定。基础激励由振动台通过夹具传递到结构上, 不同的安装方式, 传递力的位置也不同。

    产品正弦振动鉴定级要求如下:

    按能量最大对结构施加加速度激励, 其模型见图 2。

    3 结果分析与讨论

    3.1 模态分析

    本文给出模型前 6 阶的固有频率和振型如表 1 所示。

    3.2 正弦振动分析

    关于结构动力学特性的另外一个关心问题是正弦激励下的频响计算。本文计算中的激励条件见鉴定级要求,计算中取阻尼系数为 0.03。响应的输出点分别取支撑架中 心 边 缘( Node 8023) 、后 沿( Node 4295) 、支 架( Node10219) 。计算结果见图 3~图 7。

    从图中可以看出, 各点均在 Freq=4451.1Hz 处产生共振, 而在 10～2000Hz 区间响应基本趋于一直线。最大应力为 14.5MPa, 位于支架与固定端连接处。满足产品鉴定级要求。

    4 结论及展望

    由上述计算结果得知, 该结构在正弦振动条件下, 有足够的强度储备, 满足设计要求。

    一般来说, 阻尼对正弦响应分析数据影响较大, 对于实际结构, 总可以通过试验确定合适的阻尼比, 使得分析数据和试验数据一致。通过长期的积累, 可以较好地反映实际工况, 提高结构动力学分析的精确度和可靠性。