空间太阳望远镜主桁架的模态分析与试验

　　引 言

　　空间太阳望远镜[1]SST(Space Solar Telescope)的主桁架，既是1m 主光学望远镜的“镜筒”，又是卫星的主要承载结构，起着连接各有效载荷和分系统的作用，应满足的主要要求有[2]:①.保证 1m 主光学望远镜的像质要求，成像角分辨率 0.1″和镜面精度 /40( =0.4~0.6ìm)不应因失重、温变和其它原因而被破坏;②.作为其它仪器和光学子系统的安装架，提供满足精度要求的机械接口;③.足够的刚度和强度，能承受仪器静力和运载动力，防止发射环境造成不允许的永久变形; ④.结构动态特性好，主桁架及有效载荷需满足运载火箭(LM-4)发射的动态基频(固支)要求：横向大于 19Hz 和纵向大于 40Hz。模态分析[3]的目的是获取结构的固有频率和固有特性，其意义不仅是避免结构在工作时发生共振，更重要的它是分析结构动态响应和其它动力学特性的基础。空间太阳望远镜在发射过程中要受到强烈冲击，因此 SST 对光机结构的设计提出了更高要求，模态分析与试验便是 SST 光机结构设计中必不可少的环节。

　　本文根据SST 现有主桁架空间结构的复杂性和整体焊接的特点，提出了模态分析与试验方案;借助 MSC.NASTRAN 软件，采用有限元分析方法，对主桁架进行模态计算与分析;利用CADA-X 软件进行模态试验与模态参数验证;将理论计算与试验结果进行对比，分析并验证有限元计算的正确性，从而为空间太阳望远镜的整星设计与结构改正以及最终的光学装校提供可靠依据。

　　1 模态分析与试验方案

　　主桁架的结构参数：①总高度 3880mm，直径1220mm，重 262Kg;②分4 层，由圆环梁、斜杆、纵筋和安装支架构成;③在第一层因考虑通光孔，去掉了两纵筋;钛合金 TA7 材料，焊接结构。建立有限元模型[2]共有120 个梁单元、70 个节点。模态分析与试验方案[3]：首先计算结构的自由模态并分析其振型，根据模态振型找出合理的测点与振点位置，按照计算结果确定激振频率的范围。其次采用橡皮绳悬吊、激振器激励、单点输入多点输出方式进行模态试验，用LMS公司的SCADASIII 前端采集数据，CADA-X3.5D 模态试验分析软件识别结构的模态参数并进行模态校验。最后将计算结果与试验结果进行对比分析。图1 是试验原理图。

　　2 模态分析与试验

　　利用MSC.NASTRAN 软件[4]计算主桁架的自由模态，剔除6 个刚体模态(0Hz)后，结构的自振频率依次为：65.526Hz(局部弯曲振型，发生在通光孔少一根纵筋所对应的顶层环梁上)、81.2Hz、87.742Hz 和89.192Hz。第2、3 阶均为横向呼吸振型;第4 阶为纵向呼吸振型。图2 是计算得到的前3 阶振型图。计算表明主桁架的基频较高，因此可用4 根橡皮绳悬吊的方式来模拟“自由状态”，这样可以隔离环境振动干扰和排除基础振动对试件模态的影响，从而提高频响函数测量的信噪比和模态参数估计的精度与可靠性。图3 为试验现场，模态试验分析[5-6]采用 11 个加速度传感器 PM333B30、1 个力传感器208C02、DELL PRECISION 340 工作站、南京航空航天大学 HEV-50 激振器和 HEAS-5 功率放大器。悬吊用天车和吊架组合结构，8 根橡皮绳外径14mm，内径 8mm，每根长3.4m。