陳 卓，胡慶龍，李朝輝

（1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引 言

轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)載荷獨(dú)立于衛(wèi)星等空間平臺(tái)的指向運(yùn)動(dòng)，在天基跟瞄系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。近年來，根據(jù)不同的任務(wù)要求，人們?cè)O(shè)計(jì)了不同的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)。按照結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)大體可以歸納為以下 3 類［2］：（1）傳統(tǒng)經(jīng)緯儀式的二維轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，由方位軸系和俯仰軸系構(gòu)成，兩軸系正交；（2）潛望鏡式指向機(jī)構(gòu)，主光學(xué)系統(tǒng)位于搭載平臺(tái)上，采用兩個(gè)45°反射鏡；（3）平面指向反射鏡結(jié)構(gòu)。根據(jù)載荷類型的不同可將轉(zhuǎn)臺(tái)大致分為兩類［2-3］，一類用于空間光通信，這類轉(zhuǎn)臺(tái)強(qiáng)調(diào)跟蹤過程的靈敏度，其載荷多為反射鏡等光學(xué)系統(tǒng)的部分，質(zhì)量較??；另一類用于空間觀測(cè)成像，這類轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)跟蹤與成像質(zhì)量的穩(wěn)定性有更高的要求，因此載荷多為相機(jī)等整體的光學(xué)系統(tǒng)，質(zhì)量較大。

國內(nèi)外關(guān)于跟蹤指向與成像的理論研究很多。Ji 等［4］給出了一種天基觀測(cè)覆蓋范圍的分析方法，該方法將復(fù)雜的三維空間關(guān)系轉(zhuǎn)化成易于分析的二維關(guān)系。Wen 等［5］設(shè)計(jì)了一套高效率的轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)評(píng)估方法，將姿態(tài)評(píng)估誤差減小至0.024°。楊秀彬等［6］提出了在低照度條件下對(duì)空間近距離目標(biāo)進(jìn)行高信噪比探測(cè)的技術(shù)，能夠?qū)?0 km 范圍外照度低于0.05 lx 的目標(biāo)進(jìn)行成像。但星載轉(zhuǎn)臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國外的報(bào)道較少。根據(jù)國內(nèi)近年來的研究可知，轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)的鋁鎂等金屬材料逐漸被鈦合金以及碳纖維復(fù)合材料等取代。劉鐵軍［7］對(duì)碳纖維U 形架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真，得到U 形架質(zhì)量為1.87 kg，一階基頻為252 Hz，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于金屬材料。胡慶龍［2］采用碳纖維結(jié)構(gòu)的固定支架，使支架自重3.8 kg 時(shí)的一階基頻達(dá)到222.7 Hz。郭疆等［8］設(shè)計(jì)了碳纖維機(jī)身的空間相機(jī)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，一階基頻達(dá)到120 Hz。邢思遠(yuǎn)等［9］針對(duì)衛(wèi)星復(fù)合材料框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低了25.1%，基頻提高了48.8%。上述天基載荷的某個(gè)部分都使用了復(fù)合材料。綜上所述，全碳纖維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺(tái)具有優(yōu)良的性能。

太陽輻照度光譜儀跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱TY 轉(zhuǎn)臺(tái)）是實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽跟蹤對(duì)準(zhǔn)功能的重要分系統(tǒng)。本文針對(duì)TY 轉(zhuǎn)臺(tái)的性能指標(biāo)與功能要求，采用全碳纖維結(jié)構(gòu)，配合鈦合金鑲嵌件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)主要的承力部件（內(nèi)框架、U 形架和底板）。利用有限元建模進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和力學(xué)適應(yīng)性分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)形式

2.1 技術(shù)指標(biāo)

作為轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入或約束，表1 列出了衛(wèi)星總體對(duì)太陽光譜儀的任務(wù)要求、光學(xué)載荷的機(jī)電接口要求和環(huán)境條件要求等主要技術(shù)指標(biāo)。從表1 可以看出，轉(zhuǎn)臺(tái)工作在高負(fù)載、大溫差的條件下，并且轉(zhuǎn)臺(tái)本身的精度與質(zhì)量也受到限制，這要求轉(zhuǎn)臺(tái)材料具有高比剛度、低線脹系數(shù)等特點(diǎn)，使轉(zhuǎn)臺(tái)在溫度與負(fù)載作用下能正常完成轉(zhuǎn)動(dòng)功能，為光學(xué)載荷提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，保證它完成任務(wù)。

表1 TY 轉(zhuǎn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indexes of TY turntable

2.2 設(shè)計(jì)原則

綜合上述分析，TY 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則著重考慮以下幾個(gè)方面：

（1）布局合理

承載2 臺(tái)光譜儀等光學(xué)載荷，要保證具有良好的質(zhì)量和慣量分布，以及最佳的動(dòng)態(tài)剛度特性。

（2）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證結(jié)構(gòu)在規(guī)定的力學(xué)條件下無塑性變形，具有可靠性和穩(wěn)定性。

（3）溫度適應(yīng)性良好

保證在工作溫度范圍內(nèi)機(jī)構(gòu)正常工作，在存儲(chǔ)溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的尺寸和精度。

（4）高度輕量化設(shè)計(jì)

盡量減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，且結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的加工性能。

2.3 總體布局

二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)內(nèi)外框架式和極坐標(biāo)地平式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀地平式俯仰、方位結(jié)構(gòu)具有體積緊湊、質(zhì)量輕、跟蹤精度較好的特點(diǎn)，是跟蹤指向首選結(jié)構(gòu)。參考國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)［10-13］，這里決定采用傳統(tǒng)的基本地平式結(jié)構(gòu)。

TY 轉(zhuǎn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)與布局如圖1 所示，它主要由安裝光學(xué)載荷的內(nèi)框架、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)組件、方位轉(zhuǎn)動(dòng)組件以及底座組成?？紤]發(fā)射時(shí)的沖擊和振動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)還包括鎖定機(jī)構(gòu)（圖中未畫出）。

圖1 TY 轉(zhuǎn)臺(tái)的總體布局Fig.1 Overall layout of TY turntable

3 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

圖2 確定的總體布局僅在結(jié)構(gòu)尺寸上滿足轉(zhuǎn)臺(tái)安裝與載荷固定的要求，需要進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高環(huán)境適應(yīng)性。從總體布局可以看出，內(nèi)框架、U 形架和底板是3 個(gè)主要的承力部件。內(nèi)框架上安裝有兩臺(tái)光學(xué)載荷、導(dǎo)行鏡和電箱，其剛度保證了光學(xué)載荷的穩(wěn)定性。U 形架和底板的剛度決定了整機(jī)的特征頻率，并對(duì)軸系的精度和光軸的指向精度有重要影響。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)區(qū)域Fig.2 Design domain of support frame

綜合上述分析，本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)3 個(gè)主要的承力部件——內(nèi)框架、U 形架以及底板來進(jìn)行，通過研究確定合適的材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，然后針對(duì)每個(gè)組件單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化，在設(shè)計(jì)過程中組件之間的作用關(guān)系通過施加載荷與邊界條件來完成。

3.2 結(jié)構(gòu)材料選擇

高模量碳纖維除了具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模等特性以外，承受環(huán)境交變的能力也突出，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，以它作為增強(qiáng)體可以制備高剛度、高尺寸穩(wěn)定性的各種結(jié)構(gòu)型和功能性復(fù)合材料［14-15］，十分適合作為轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)材料。

目前，國內(nèi)已經(jīng)突破了M60J 級(jí)碳纖維實(shí)驗(yàn)室制備關(guān)鍵技術(shù)，M55J 級(jí)碳纖維能夠進(jìn)行工程化制備。某廠家給出的M55J 級(jí)碳纖維的參考性能 如 表 2 所 示 。 Peiluo 等［16］采 用 M55J/CE 材 料制造了尺寸為φ140 mm×557 mm，厚度為1.5 mm 的望遠(yuǎn)鏡鏡筒。

表2 M55J 的材料性能Tab.2 Material performance of M55J

本文采用M55J 作為轉(zhuǎn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)的主要材料。但是碳纖維復(fù)合材料層對(duì)開孔敏感，應(yīng)力集中遠(yuǎn)大于金屬，并且碳纖維結(jié)構(gòu)表面不能進(jìn)行機(jī)械研磨，因此在連接部分的接口處要鑲嵌金屬件，以此避免接觸破壞，并可通過對(duì)鑲嵌件進(jìn)行表面處理來達(dá)到精度要求［17］。根據(jù)已有研究，采用鈦合金（TC4）作為鑲嵌件材料［18-19］。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

參考以往的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，本文采用蒙皮與加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式，通過拓?fù)鋬?yōu)化來輔助設(shè)計(jì)。

連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化是指滿足一定約束條件下，尋求結(jié)構(gòu)材料的空間分布形式，實(shí)現(xiàn)指定目標(biāo)的最優(yōu)化。彭細(xì)榮等［20］研究表明，體積約束下結(jié)構(gòu)柔順度最小化模型（Minimum Compliance with a Volume Constraint，MCVC）適用于解決單荷載工況下未給出位移約束的工程問題，容易得到結(jié)構(gòu)剛度最大化的拓?fù)?。工程中MCVC 模型最常采用SIMP 方法，即基于SIMP材料插值模型的變密度法，以每個(gè)單元的相對(duì)密度作為設(shè)計(jì)變量，同時(shí)引入密度與材料彈性模量的假設(shè)函數(shù)關(guān)系，以結(jié)構(gòu)響應(yīng)量最小化或最大化為目標(biāo)設(shè)定體積比約束。在靜力優(yōu)化問題中，通常以結(jié)構(gòu)柔順度最小化作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，其數(shù)學(xué)模型表示為：

式中：C為柔順度值；K，U，F(xiàn)分別表示總剛度陣，總位移和總載荷；V0和V分別表示初始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)體積；f是體積比；ρmin是拓?fù)渥兞肯孪?，用于避免有限元分析奇異性，通常可取ρmin=10-3［21-22］。

本文用MSC Patran/Nastran 有限元分析對(duì)3個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)件分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)所得的拓?fù)浣Y(jié)果，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)構(gòu)件的蒙皮與加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。

這里以U 形架為例，如圖2 所示，考慮到生產(chǎn)與裝配過程的可行性，將U 形架在俯仰軸系處分上下兩部分，設(shè)計(jì)平臺(tái)用于連接。將軸孔處、連接平臺(tái)及框架邊緣區(qū)域作為非設(shè)計(jì)區(qū)域（圖中高亮部分），藍(lán)色區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)區(qū)域。在底部軸孔面處施加固定約束，將U 形架載荷以80 kg 質(zhì)量點(diǎn)的形式通過多點(diǎn)約束（MPC）連接在兩側(cè)軸孔處。在X，Y，Z三軸方向同時(shí)分別施加10g，2g，2g的加速度載荷，以最小化結(jié)構(gòu)柔順度為目標(biāo)，30%體積分?jǐn)?shù)為約束，經(jīng)過27 次迭代后結(jié)果如圖3 所示，結(jié)構(gòu)柔順度變化如圖4 所示（彩圖見期刊電子版）。

圖3 U 形架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.3 Topology result of U-shaped frame

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化迭代歷程Fig.4 Iteration process of topology

圖3 展示了設(shè)計(jì)密度的分布云圖，其中越接近紅色的區(qū)域設(shè)計(jì)密度越大，表明結(jié)構(gòu)越重要，需要保留；越接近藍(lán)色的區(qū)域設(shè)計(jì)密度越小，表明此處結(jié)構(gòu)可以去除。圖4 表明，優(yōu)化前U 形架結(jié)構(gòu)的柔順度為13.22，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)柔順度為0.99，即結(jié)構(gòu)剛度為原來的13 倍，優(yōu)化效果明顯。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，U 形架兩側(cè)部分單元密度很小，絕大部分可以去除，余下部分單元分布在Z軸方向上，可以考慮在此部分設(shè)置Z軸方向上的加強(qiáng)筋，其余部分留空；U 形架底部及拐角處表面單元密度很大，屬于主要承力部分，內(nèi)部單元密度較小，可以在此設(shè)計(jì)較密集的橫向與縱向的加強(qiáng)筋，減少材料的同時(shí)提高此處剛度。為方便加工，各處加強(qiáng)筋厚度應(yīng)保持一致。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，U 形架兩側(cè)需要為金屬鑲嵌件提供安裝位置，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，兩側(cè)設(shè)計(jì)蒙皮能提高結(jié)構(gòu)剛度。結(jié)合工程實(shí)際，U 形架采用內(nèi)外面板封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋，考慮到加工工藝性，加強(qiáng)筋呈橫縱均勻排布，尺寸相同。最終得出U 形架的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5 所示，組件結(jié)構(gòu)尺寸約為842 mm×343 mm×400 mm，碳纖維結(jié)構(gòu)厚度以4 mm 為主。

整個(gè)組件由碳纖維材料通過鋪層的方式成形，成形過程中在空腔位置預(yù)埋水溶性材料，成形結(jié)束后排出。部分金屬鑲嵌件也在成形過程中預(yù)埋在構(gòu)件內(nèi)，其余金屬鑲嵌件通過與這些預(yù)埋件之間的螺釘連接，實(shí)現(xiàn)與碳纖維材料的結(jié)合，如圖6 所示。另外，所有金屬件與碳纖維的接觸面處都涂膠進(jìn)行粘接，進(jìn)一步提高連接的可靠性。

圖5 U 形架詳細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.5 Detailed structure of U-shaped frame

圖6 鑲嵌件示意圖Fig.6 Schematic diagram of TC4 inserts

按照同樣的方法進(jìn)行底板與內(nèi)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為提高轉(zhuǎn)臺(tái)的抗力學(xué)特性，采用4 個(gè)爆炸螺栓將U 形架與底板通過輔助支架連接。輔助支架上部與U 形架固連，可隨U 形架轉(zhuǎn)動(dòng)。將轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸部分沉到衛(wèi)星安裝面以下，使質(zhì)心位置盡量靠近儀器安裝面，減小懸臂效應(yīng)。另外，在內(nèi)框架和U 形架間保留合理間隙，使轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)心盡量降低。

根據(jù)已有的設(shè)計(jì)案例，轉(zhuǎn)臺(tái)各部分經(jīng)熱控系統(tǒng)調(diào)控，溫度梯度可限制在10 ℃內(nèi)?？紤]到設(shè)計(jì)裕度，按照20 ℃溫度梯度的極限情況計(jì)算，碳纖維框架的線膨脹系數(shù)為1.7×10-8/℃，俯仰左、右端軸跨度為750 mm，引起的軸向位移為0.003 mm。由于軸承存在游隙，并且U 形架和外框架等結(jié)構(gòu)也會(huì)有一定的彈性變形來補(bǔ)償溫度引起的軸向位移，20 ℃的溫度梯度不會(huì)引起轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的卡滯或卡死。轉(zhuǎn)臺(tái)最終結(jié)構(gòu)如圖7 所示，總質(zhì)量為64.7 kg，安裝負(fù)載后整機(jī)質(zhì)量為127 kg，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；其中框架部分質(zhì)量（含鑲嵌件）為27.3 kg，占整機(jī)質(zhì)量的21.5%。

圖7 TY 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of TY turntable

4 仿真分析

由于轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，仿真分析分成兩部分，一部分針對(duì)單個(gè)構(gòu)件，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的碳纖維結(jié)構(gòu)和鑲嵌件布局的可行性，本文以代表性的U形架為例；另一部分針對(duì)簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)臺(tái)整體模型，分析設(shè)計(jì)方案的可行性。

4.1 U 形架仿真分析

對(duì)U 形架結(jié)構(gòu)進(jìn)行基頻計(jì)算，并進(jìn)行正弦激勵(lì)下的強(qiáng)度校核。正弦振動(dòng)載荷及試驗(yàn)條件如表3 所示。

U 形架模型簡(jiǎn)化后僅保留金屬鑲嵌件與底部6 個(gè)加載螺栓孔，其余孔洞去除。金屬鑲嵌件采用實(shí)體單元，碳纖維結(jié)構(gòu)采用殼單元，二者之間采取粘接方式連接，結(jié)構(gòu)中包含80 kg 負(fù)重以質(zhì)量點(diǎn)形式建立于相應(yīng)位置，6 個(gè)螺栓孔處施加固定約束，并在X，Y，Z三個(gè)方向上進(jìn)行正弦激勵(lì)分析。共劃分15 865 個(gè)單元，網(wǎng)格模型如圖8所示。分析得出U 形架前3 階頻率分別為54.0，59.5 和101.6 Hz，正弦激勵(lì)分析結(jié)果如表4 所示，U 形架的一階振型如圖9 所示。

表3 正弦激勵(lì)試驗(yàn)條件Tab.3 Test conditions of sinusoidal excitation

圖8 U 形架網(wǎng)格模型Fig.8 Mesh model of U-shaped frame

表4 正弦激勵(lì)下U 形架結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力結(jié)果Tab.4 Deformation and stress of U-shaped frame under sinusoidal excitation

圖9 U 形架的一階振型Fig.9 First-order vibration shape of U-shaped frame

分析結(jié)果表明，U 形架滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且在正弦振動(dòng)作用下滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

4.2 轉(zhuǎn)臺(tái)整體仿真分析

依據(jù)三維實(shí)體模型對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中光學(xué)載荷以質(zhì)量塊的形式代替。為了方便建模，在關(guān)鍵力的傳遞路徑上，網(wǎng)格劃分較密，非關(guān)鍵部位適當(dāng)簡(jiǎn)化，使它能等效真實(shí)構(gòu)件對(duì)整機(jī)的質(zhì)量和剛度貢獻(xiàn)。對(duì)于軸承部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除滾子部分，軸承外圈與軸孔固結(jié)，內(nèi)圈與軸固結(jié)，內(nèi)、外圈用RBE2 單元分別約束于各自中心處的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)之間建立彈簧單元，模擬滾子處作用力。添加約束在載荷附近的質(zhì)量點(diǎn)作為配重，使有限元模型繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更接近實(shí)體模型。建立的有限元模型共有332 505 個(gè)單元，其結(jié)構(gòu)形式如圖10 所示。有限元模型質(zhì)量為124 kg，略低于三維實(shí)體模型的127 kg，相差約2%，其原因可能是實(shí)體模型包含螺釘和熱控機(jī)構(gòu)，有限元模型沒有這些部分，但質(zhì)量差距很小，不影響有限元模型的可靠性。

圖10 整機(jī)網(wǎng)格模型Fig.10 Mesh model of complete machine

對(duì)于屈服極限載荷條件，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)部件應(yīng)具有正的安全裕度。不同類型的材料，安全裕度要求不同，具體規(guī)定見表5。

表5 安全裕度規(guī)定Tab.5 Rules of safety margin

其中，安全裕度的定義如下：

式中：［σ］為極限應(yīng)力（屈服極限或強(qiáng)度極限）；σMAX為鑒定載荷產(chǎn)生的最大主應(yīng)力；f為安全因子，對(duì)于屈服極限（彈塑性材料），安全因子f=1.20；對(duì)于破壞極限（脆性材料），安全因子f=1.35。

對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析和表3 所示的正弦激勵(lì)分析，分析中約束施加在底部支架下面的14 個(gè)安裝孔處，約束該位置節(jié)點(diǎn)的6 個(gè)自由度。分析結(jié)果如表6～表7 和圖11 所示。分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)臺(tái)整體的一階頻率為58 Hz，前三階頻率在100 Hz 以內(nèi)；正弦振動(dòng)時(shí)，各位置處應(yīng)力響應(yīng)的安全裕度均符合規(guī)定，說明強(qiáng)度滿足要求，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

表6 前六階固有頻率Fig.6 Six orders’natural frequencies （Hz）

表7 正弦激勵(lì)各位置的最大應(yīng)力Tab.7 Maximum stress in each part under sinusoidal excitation

圖11 轉(zhuǎn)臺(tái)整體的一階振型Fig.11 First-order vibration shape of turntable

5 試 驗(yàn)

5.1 抗力學(xué)試驗(yàn)

為驗(yàn)證產(chǎn)品的力學(xué)性能，對(duì)太陽輻照度光譜儀初樣整體進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。儀器通過平板工裝連接在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，如圖12 所示。

試驗(yàn)使用4 個(gè)三向加速度測(cè)量傳感器，傳感器分別位于內(nèi)框架頂部、VIS/IR 譜儀上部、U 形架上側(cè)面和底板。根據(jù)表3 所示的試驗(yàn)條件，每個(gè)方向上試驗(yàn)前后都會(huì)進(jìn)行幅值為0.1g、頻率在10～2 000 Hz 的特征掃描來檢查結(jié)構(gòu)的固有頻率，選擇A3 傳感器數(shù)據(jù)作為代表，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8 所示，圖13 給出了Y方向（轉(zhuǎn)臺(tái)一階振型方向）上U 形架處的特征掃描響應(yīng)曲線。

圖12 振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.12 Vibration test platform

圖13 特征掃描響應(yīng)曲線Fig.13 Response curves of feature scanning

表8 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Results of vibration test

由表8 可見，三個(gè)軸向上正弦振動(dòng)前后結(jié)構(gòu)基頻相對(duì)變化在1%左右，變化較小；Y方向上隨機(jī)振動(dòng)前后結(jié)構(gòu)基頻變化相對(duì)較大，為3.6%，鑒定級(jí)正弦及隨機(jī)振動(dòng)條件對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。圖13 中Data1，Data2，Data3，Data4，Data5，Data6 分別代表驗(yàn)收級(jí)正弦激勵(lì)前后特征掃頻響應(yīng)曲線、鑒定級(jí)正弦激勵(lì)后特征掃頻響應(yīng)曲線以及鑒定級(jí)隨機(jī)激勵(lì)前后特征掃頻響應(yīng)曲線。由圖13 可見，正弦隨機(jī)振動(dòng)前后，整體峰值分布基本保持不變。

特征掃描顯示總體結(jié)構(gòu)的一階固有頻率最低為53 Hz，與仿真所得的58 Hz 誤差為8.6%。經(jīng)過分析認(rèn)為［23］，這是使用MPC 理想約束來替代螺栓連接所致，該誤差在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)。以上分析表明，轉(zhuǎn)臺(tái)的力學(xué)特性穩(wěn)定，滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

5.2 熱環(huán)境試驗(yàn)

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性，采用熱壓罐模擬在軌時(shí)的環(huán)境，對(duì)整機(jī)進(jìn)行熱真空試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境要求為真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa，溫度為0～35 ℃，溫度梯度為5 ℃。試驗(yàn)過程中對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)送指令，使轉(zhuǎn)臺(tái)模擬跟蹤運(yùn)動(dòng)。通過記錄過程中電機(jī)的力矩電流情況，來驗(yàn)證轉(zhuǎn)臺(tái)工作是否正常，如圖14 所示。

圖14 力矩電流Fig.14 Torque current

整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中方位力矩電流低于1 A，俯仰低于0.5 A。在載荷整機(jī)測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)程控跟蹤19 min 內(nèi)，運(yùn)行角位置與預(yù)期相符，跟蹤精度滿足要求，電流數(shù)據(jù)正常。該結(jié)果表明轉(zhuǎn)臺(tái)在真空環(huán)境中功能正常。

6 結(jié) 論

本文通過分析太陽輻照度光譜儀的任務(wù)指標(biāo)與工作模式，設(shè)計(jì)了其轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)。通過拓?fù)鋬?yōu)化分析，轉(zhuǎn)臺(tái)承力部件采用內(nèi)外面板封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋。轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)件采用M55J 碳纖維復(fù)合材料鋪層成形，成形過程中預(yù)埋水溶性材料形成空腔。碳纖維結(jié)構(gòu)之間通過金屬鑲嵌件進(jìn)行連接，鑲嵌件與碳纖維構(gòu)件內(nèi)部的預(yù)埋件通過螺釘連接，兩種材料接觸面處涂膠進(jìn)一步保證可靠性。轉(zhuǎn)臺(tái)初樣的總體尺寸為966 mm×400 mm×730 mm，質(zhì)量為 64.7 kg，整機(jī)質(zhì)量為127 kg，其中轉(zhuǎn)臺(tái)框架（含鑲嵌件）質(zhì)量為27.3 kg，占整機(jī)的21.5%。試驗(yàn)表明，整機(jī)的一階頻率為53 Hz，與整機(jī)仿真得到的58 Hz 誤差約為8.6%，經(jīng)正弦激勵(lì)試驗(yàn)后基頻變化在1%以內(nèi)，經(jīng)隨機(jī)激勵(lì)試驗(yàn)后基頻變化在4%以內(nèi)，證明結(jié)構(gòu)力學(xué)特性穩(wěn)定，符合強(qiáng)度和剛度的要求。轉(zhuǎn)臺(tái)在熱真空試驗(yàn)中力矩電流正常，功能正常。

本文使用M55J 材料完成了全碳纖維結(jié)構(gòu)空間轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，證明了碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于空間轉(zhuǎn)臺(tái)的可行性。所設(shè)計(jì)的空間轉(zhuǎn)臺(tái)解決了高載荷、大尺寸與高精度、低質(zhì)量之間的矛盾，在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)剛度的同時(shí)降低了發(fā)射成本，為未來的空間轉(zhuǎn)臺(tái)提供了參考。