伍紅平， 劉雷，王輝， 安正華，李新喬

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 粒子天體物理中心，北京 100049)

0 引言

地震電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星[1]是為探索地震前兆信息及空間環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)而建立的試驗(yàn)平臺(tái)，主要監(jiān)測(cè)全球空間電磁場(chǎng)、電磁波、電離層等離子、高能粒子等物理量，能從空間觀測(cè)地震孕育相關(guān)信息，具有觀測(cè)范圍廣、觀測(cè)量多等地面觀測(cè)技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)。研究表明[2]，由地震引發(fā)的空間高能帶電粒子爆發(fā)在大地震的主震前，這種短暫爆發(fā)現(xiàn)象對(duì)地震前兆研究及地震預(yù)警有重要意義，吸引了很多研究者注意。高能粒子探測(cè)器高能段載荷[3]是電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的有效載荷之一，設(shè)計(jì)使用晶體量能器方法測(cè)量低軌道空間高能帶電粒子的能量和通量。高能帶電粒子探測(cè)器的研制對(duì)于地震前兆研究以及空間其他未知領(lǐng)域的探索等都具有重要意義。

本文以高能粒子探測(cè)器高能段載荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)為對(duì)象，根據(jù)高能粒子探測(cè)器工作原理及設(shè)計(jì)要求，完成了高能粒子探測(cè)器高能段載荷的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過(guò)ABAQUS軟件完成結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)。高能粒子探測(cè)器高能段載荷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模態(tài)分析為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)及力學(xué)性能分析提供了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)相關(guān)電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 高能粒子探測(cè)器高能段載荷的工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 高能粒子探測(cè)器高能段載荷工作原理

高能粒子探測(cè)器高能段載荷的探測(cè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)空間高能帶電粒子的通量、能譜和入射角度的測(cè)量。探測(cè)器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：探測(cè)粒子的能量范圍為電子2～50MeV和質(zhì)子15～200MeV；有效探測(cè)面積100 cm2；視場(chǎng)范圍為68°×68°；角度分辨率為5°。根據(jù)探測(cè)目標(biāo)將探測(cè)器的探測(cè)任務(wù)可以分解為以下3個(gè)部分：

第1部分是角度測(cè)量，主要是通過(guò)位置靈敏硅條探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的。硅條探測(cè)器配以電子學(xué)系統(tǒng)可測(cè)得入射粒子事例在硅條探測(cè)器中的能損信息ΔE和位置信息。兩塊雙層位置靈敏硅條探測(cè)器相距一定的距離z0，分別測(cè)得入射粒子在兩塊硅條探測(cè)器上的入射位置坐標(biāo)(x1，y1，z0)和(x2，y2，0)，便可重建入射徑跡，得到粒子入射方向的天頂角θ和方位角φ：

(1)

第2部分探測(cè)任務(wù)是能量測(cè)量，主要通過(guò)晶體量能器實(shí)現(xiàn)的。高能電子和質(zhì)子在晶體中沉積能量后，晶體發(fā)出閃爍光，通過(guò)光電倍增管將閃爍光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并放大。通過(guò)電子學(xué)讀出系統(tǒng)讀出并處理這一電信號(hào)，便可以測(cè)得粒子在晶體上的剩余能量E。加上粒子通過(guò)硅條探測(cè)器上的能量損失ΔE便可得到粒子總能量。

第3部分任務(wù)是粒子鑒別，通過(guò)測(cè)量粒子在硅條探測(cè)器時(shí)的能量損失ΔE和在量能器的能量剩余E，利用ΔE×E這個(gè)與粒子能量無(wú)關(guān)而與粒子種類有關(guān)的量，從而鑒別粒子種類。

此外探測(cè)器需設(shè)計(jì)有反符合探測(cè)器，用以剔除透過(guò)金屬外框，而不是從視場(chǎng)范圍進(jìn)入量能器的高能粒子事例以及由視場(chǎng)進(jìn)入但穿過(guò)了量能器的超高能事例。綜上所述，高能粒子探測(cè)器高能段載荷的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。它主要由硅條探測(cè)器系統(tǒng)、量能器系統(tǒng)、反符合探測(cè)器、準(zhǔn)直器、金屬外框構(gòu)成，再配以電子學(xué)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期功能目標(biāo)。

圖1 高能粒子探測(cè)器高能段載荷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 高能粒子探測(cè)器高能段載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)

高能粒子探測(cè)器高能段載荷的結(jié)構(gòu)在滿足其預(yù)期功能前提下，還應(yīng)滿足其剛度、強(qiáng)度、電磁兼容、加工工藝性等要求，同時(shí)要做到設(shè)備質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)模塊化等[4]。在高能粒子探測(cè)器高能段載荷中，硅條探測(cè)器組件及量能器組件是其實(shí)現(xiàn)主要功能的部件。根據(jù)探測(cè)器的探測(cè)面積要求確定硅條探測(cè)器的型號(hào)以及量能器探測(cè)面的大小，根據(jù)探測(cè)的能量范圍及能量分辨率確定晶體的厚度及數(shù)量，根據(jù)探測(cè)角度范圍及角度分辨率確定硅條探測(cè)器與量能器之間的位置關(guān)系。以上尺寸及相關(guān)元器件的尺寸由探測(cè)器設(shè)計(jì)工程師給出。

探測(cè)器的量能器中由1塊塑料閃爍體和4塊碘化銫晶體組成。由于碘化銫晶體密度大、質(zhì)量重，需要適當(dāng)?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)。另外根據(jù)電子學(xué)需要，共需設(shè)計(jì)6塊電路板，初步設(shè)計(jì)1塊電路板分布在探測(cè)器前板上，2塊分布在探測(cè)器的兩側(cè)壁，另外3塊通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)布置在探測(cè)器后端。綜合考慮上述因素，探測(cè)器選擇的是支架式為主、模塊化為輔的綜合性構(gòu)型。

探測(cè)器結(jié)構(gòu)所用材料除特殊說(shuō)明外，均為航天鋁合金2A12-H112。在Inventor[5]裝配環(huán)境中，采用“自頂向下”設(shè)計(jì)原則，依次建立硅條探測(cè)器組件和量能器組件的初步結(jié)構(gòu)模型，并按要求的位置關(guān)系對(duì)其進(jìn)行放置。為5塊量能器設(shè)計(jì)支架，并設(shè)計(jì)5塊反符合探測(cè)器依附在支架上除觀測(cè)方向之外5個(gè)面。初步設(shè)計(jì)探測(cè)器除觀測(cè)方向反方向之外的5個(gè)面的金屬外框，其中硅條探測(cè)器固定在前板上，量能器組件固定在頂板和底板上。為屏蔽探測(cè)能量范圍之外的帶電粒子，探測(cè)器的外框需具備一定的屏蔽功能，因此金屬外框的壁厚為5 mm，沒(méi)有反符合探測(cè)器的前板為9 mm，所有金屬外框均設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋。然后在前板上設(shè)計(jì)準(zhǔn)直器及窗，并在探測(cè)器后端設(shè)計(jì)2塊可固定電路板的金屬框及可固定電路板的后板。

完成以上初步設(shè)計(jì)后，通過(guò)反復(fù)交叉設(shè)計(jì)各零部件，對(duì)零部件進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)并實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，完成各零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。其中為保證硅條探測(cè)器的測(cè)量精度及可靠度，硅條探測(cè)器的工作溫度應(yīng)維持在-20℃±2℃。為此設(shè)計(jì)有伸出外框的等溫板及控溫回路與衛(wèi)星連接，等溫板材料為紫銅，等溫板與外框間設(shè)計(jì)有隔熱套。設(shè)計(jì)完成后，探測(cè)器整體結(jié)構(gòu)的尺寸約為374mm×320mm×216mm。然后完成各零部件間的連接設(shè)計(jì)，一般情況下，各零部件間均采用鈦螺釘連接，其中金屬外框間設(shè)計(jì)有止口以保證其電磁屏蔽性。

最終完成探測(cè)器結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖2所示。

圖2 高能粒子探測(cè)器高能段載荷整體結(jié)構(gòu)爆炸圖

2 高能粒子探測(cè)器高能段載荷結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及模態(tài)試驗(yàn)

對(duì)高能粒子探測(cè)器高能段載荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析是產(chǎn)品研制過(guò)程中的一個(gè)重要步驟，模態(tài)分析檢驗(yàn)了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)初期設(shè)計(jì)的不足，以便于盡早優(yōu)化更改以使得探測(cè)器的結(jié)構(gòu)更優(yōu)。

2.1 探測(cè)器有限元建模

為了提高模態(tài)分析的運(yùn)算速度，在滿足計(jì)算精度的前提下，在進(jìn)行有限元建模時(shí)作如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：1)忽略對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響較小的小尺寸結(jié)構(gòu)；2)將螺栓連接簡(jiǎn)化為綁定連接，忽略螺栓連接處的通孔及螺紋孔；3)忽略倒角及過(guò)渡圓角，僅保留對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響較大的重要內(nèi)圓角。

按上所述在Inventor軟件中對(duì)結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后導(dǎo)出為parasolid文本文件(*.x_t)，再通過(guò)ABAQUS軟件[6]導(dǎo)入裝配體(Import→Assembly)。在ABAQUS軟件中依次賦予材料屬性、劃分網(wǎng)格(單元類型為C3D8R)、設(shè)定位移邊界條件。探測(cè)器所用材料性能如表1所示，最終得到的有限元模型如圖3所示。

表1 探測(cè)器所用材料性能

圖3 探測(cè)器結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

利用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)是求解有限個(gè)自由度無(wú)外載荷狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)方程的模態(tài)矢量?？紤]到結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)其模態(tài)頻率及模態(tài)振型影響很小，忽略了結(jié)構(gòu)阻尼。ABAQUS提供多種模態(tài)解析方法[7]，常用的有子空間迭代法(subspace)和蘭索斯法(Lanczos)。本文采用的是Lanczos法進(jìn)行求解，Lanczos算法是一種非常高效的算法，尤其是只求解前幾階模態(tài)頻率時(shí)。求解得到探測(cè)器前4階固有頻率及其振型云圖如圖4所示。

圖4 探測(cè)器結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果

高能粒子探測(cè)器高能段載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)的一階振型為頂面的一次彎曲，其模態(tài)頻率為416.48 Hz，大于衛(wèi)星整體對(duì)探測(cè)器的基頻要求(≥100 Hz)。探測(cè)器結(jié)構(gòu)的第二、三、四階模態(tài)振型分別為底面及兩個(gè)側(cè)面的一次彎曲。模態(tài)分析結(jié)果表明，高能粒子探測(cè)器高能段載荷的結(jié)構(gòu)能較好地滿足剛度要求，具有較大的安全裕度。

2.3 探測(cè)器結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)試驗(yàn)[8]是基于外界激勵(lì)和系統(tǒng)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，是通過(guò)系統(tǒng)輸入的激振力和輸出的響應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)處理與參數(shù)識(shí)別來(lái)確定系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的一種試驗(yàn)方法，由于該方法能獲得結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有特性，也成為判斷模態(tài)分析結(jié)果有效性及有限元模型準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。

本文使用的試驗(yàn)設(shè)備為OROS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，模態(tài)分析軟件為N-Modal。將裝配好的高能粒子探測(cè)器高能段載荷結(jié)構(gòu)放在較軟的泡沫上，使其近似處于自由狀態(tài)。用力錘敲擊結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，通過(guò)力錘中的力傳感器觸發(fā)OROS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)，并通過(guò)三向加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，最后將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到N-Modal模態(tài)分析軟件中進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。在N-Modal模態(tài)分析軟件建立試驗(yàn)簡(jiǎn)化模型如圖5所示，用24個(gè)節(jié)點(diǎn)定義了探測(cè)器結(jié)構(gòu)上下左右4個(gè)側(cè)面。本試驗(yàn)采用的是多參考點(diǎn)錘擊實(shí)驗(yàn)技術(shù)(MRIT)，傳感器依次放在14號(hào)、5號(hào)、20號(hào)、23號(hào)節(jié)點(diǎn)。力錘在24個(gè)節(jié)點(diǎn)上逐點(diǎn)錘擊，其中對(duì)處于棱邊上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了垂直于表面兩個(gè)方向的錘擊，每個(gè)數(shù)據(jù)重復(fù)試驗(yàn)3次。將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入N-Modal模態(tài)分析軟件進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，分析出探測(cè)器結(jié)構(gòu)的前4階模態(tài)，如圖6所示。

圖5 模態(tài)試驗(yàn)中探測(cè)器的簡(jiǎn)化模型

模態(tài)振型相關(guān)系數(shù)(MAC)[9]可對(duì)計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

其中：φ為計(jì)算振型向量；φ*為試驗(yàn)振型向量。MAC值范圍為0～1，其值越接近1表明計(jì)算振型越準(zhǔn)確。對(duì)比模態(tài)分析結(jié)果及模態(tài)計(jì)算結(jié)果，并計(jì)算同階振型的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

圖6 探測(cè)器結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

階次模態(tài)分析結(jié)果模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果模態(tài)頻率/Hz模態(tài)振型模態(tài)頻率/Hz阻尼比/(%)模態(tài)振型誤差/(%)振型相關(guān)系數(shù)1416.84頂面彎曲393.140.04頂面彎曲6.020.9212546.54底面彎曲537.354.36底面彎曲1.710.8933699.90側(cè)面彎曲679.394.17側(cè)面彎曲3.010.7054790.21側(cè)面彎曲738.314.74側(cè)面彎曲7.020.739

由圖4、圖6和表2可以看出模態(tài)分析結(jié)果與模態(tài)頻率試驗(yàn)值非常接近，最大誤差為6.02%，平均誤差為4.35%。振型相關(guān)系數(shù)的最大值為0.921，最小值為0.705,平均值為0.815，表明各階陣型基本一致。造成計(jì)算模態(tài)與分析模態(tài)誤差的因素有：1)有限元模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)，對(duì)分析結(jié)果有一定影響；2)模態(tài)分析中采用的部分材料屬性為經(jīng)驗(yàn)值；3)模態(tài)試驗(yàn)中所取的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少以及試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。

綜合考慮這些因素，在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為所建立的高能粒子探測(cè)器高能段載荷的有限元模型較為準(zhǔn)確，可以作為結(jié)構(gòu)改進(jìn)和進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

利用Inventor軟件完成了高能粒子探測(cè)器高能段載荷機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)方案可行，能較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)期功能。利用ABAQUS軟件對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模并進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有較好的剛度，其一階模態(tài)頻率為416.84 Hz，滿足衛(wèi)星要求。利用OROS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀及N-Modal模態(tài)分析軟件對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，并與模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了分析結(jié)果的有效性及有限元模型的準(zhǔn)確性，為高能粒子探測(cè)器高能段載荷結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析與改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。