Hα与白光望远镜的结构模态分析和改进设计

　　Hα和白光望远镜(Hαand white light tele2scope,HWT)作为空间太阳望远镜(space solar tele2scope)[1, 2]的有效载荷之一,主要承担在2个波段上观测、采集全日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、Hα滤光器、Hα成像镜系统、CCD相机、析光棱镜座、白光成像镜系统等光学件[3].

　　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[4].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,在分析对比理论计算结果与试验结果的基础上,对HWT进行结构优化和改进设计.

　　1　有限元计算

　　HWT的基本结构参数为[3]:结构总长度1 720mm,镜筒尺寸150 mm×330 mm,方箱尺寸200mm×300mm×1 260mm,质量46 kg;结构件材料采用钛合金TA7,密度ρ=4 650 kg/m3,泊松比μ=0·247,弹性模量E=101GPa.

　　使用MSC.PATRAN[5]对HWT建立图1所示有限元模型.模型共有3 163个节点, 782个梁单元, 2 675个三角形单元, 1 361个四边形单元.针对HWT的自由状态工况,利用MSC.NAS2TRAN软件进行计算,剔除6个刚体模态(0 Hz)后,计算所得的HWT前四阶振型如图2所示.

　　2　试验研究

　　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[6].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.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.

　　2·2　试验结果

　　使用CADA2X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39·70 Hz,阻尼0·11%;二阶52·2 Hz,阻尼0·67%;三阶55·54 Hz,阻尼0·55%;四阶60·19Hz,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(modal assurance cri2terion, MAC)对试验结果进行验证[7].