空间相机桁架结构模态相关性分析

    1引言

    析架结构作为反射式空间相机的支撑部件,为光学系统的安装提供了固定手段,以保证光学元件在空间位置中的相对稳定性。空间光学系统通常对振动环境要求较高,因而析架结构的动态特性历来是设计过程中最为关注的问题。动态特性分析可以通过模态试验与计算相结合的方法实现,在试验数据的有效性和精度有保障的前提下,可以用模态试验结果去验证和修改有限元模型,使其能够模拟实际结构的主要动态特性,而这种验证模型的方法是通过两者相关性分析实现的。模态相关性分析的主要内容是将试验所得结果与计算模型预示的结果比较,鉴定它们之间的总体吻合程度,以此作为修改有限元模型的数值依据。但对于析架结构这样的大型复杂结构,模态计算结果中不可避免地存在着大量次模态,从而无法与试验结果进行比对。本文提出一种利用振幅比值定量区分的方法,从密集的计算模态群中识别出了析架结构的主模态。通过主模态向量缩减、试验与计算结果的相关性分析、误差定位及模型的反复修改而得到精确的有限元模型,最终的相关性分析结果预示了较好的试验和计算模态相关性,验证了有限元模型的准确性,为进行析架结构振动控制设计提供了理论参考依据。

    2模态相关性分析方法

    模态试验与计算的相关性可以由相关图或相关系数两种方法描述:l)相关图是分别以试验辨识值和模型预示值为横坐标和纵坐标,将振型矢量对应元素绘在图上。相关图可以给出模态相关性直观的描述,若振型各点落在斜率为1或一1的直线附近,说明相关性较好,反之则说明相关性较差。2)相关系数亦称模态确信判据(MAC),其定义为

    式中Ψ一试验辨识的第r阶模态振型矢量;

    Ψ(r)一模型预示的第r阶模态振型矢量;

    MAC的值介于(0,l)区间,越接近l说明相关性越好,若撇滩C=1,两者完全相关,若A仅C二0,则表明两者不相关。

    3析架结构模态相关性分析

    3.1析架结构简介

    析架结构是一种典型的杆板组合结构,它由前后框架、斜梁、析架杆、光栏片、蒙皮等部件组成,这些部件以铆钉、螺栓连接在一起,构成承力结构。在析架结构中,前后框架、斜梁、析架杆起主要的支撑作用,这里称它们为主结构;光栏片、蒙皮等板式结构起连接、加强作用,这里称它们为辅结构。衍架结构如图l所示。

    3.2主模态的识别

    主模态是指结构各部件变形较为均匀,在主结构上有较大变形的模态,这一类模态对结构的整体振动影响较大,其特点是变形平滑、均匀、规律性较强;所谓次模态是指主结构变形较小或不变形,而以辅结构的局部变形为主的模态,这一类模态主要影响结构的局部振动,其特点是变形突兀、形式复杂、难以掌握和描述。通过试验的方法可以准确地测得结构的主模态,但对于为数更多的各种次模态,由于其形式复杂、分布密集,且特性受环境影响大,则很难准确测得。本文析架结构是由许多杆板组合而成,而这些杆板又有各自的固有特性,致使全结构振动特性的分析结果中呈现密集的次模态群。大量次模态的出现会给整体结构模态的识别带来困难,无法准确获得结构的动态特性,因此需要对析架结构的各阶模态加以判别。模态应变能是了解结构模态特性的一个重要参数,应变能较高的部件对该阶模态起着主导作用,是改变结构模态特性最灵敏的部件,可以用主结构的模态应变能(U主)与总体结构的模态应变能(U总)之比7二U主/U总作为区分主模态和次模态的标准,当这个比值大于某一数值时如60%,就认为它是主模态,反之则认为是次模态。对于主模态和次模态的划分并不是绝对的,还应视具体结构而定,这样分的目的是从密集度较高的模态群中分离出试验可测、且对结构设计较为重要的主模态,以便于试验与计算的相关性分析。应当指出,上述的模态对比只是具有共振效应的部分模态而不是全部模态,但对于验证和修改有限元模型及动态响应分析来说,还是有一定可靠性作保证的。