硬X射线调制望远镜（HXMT）有限元动力分析
摘要
硬X射线能段是天体物理的重要波段，由于具有较强的穿透能力，因而它可以携带辐射区的很多信息。通过对它的研究，人们可以获得诸如辐射区大小、辐射机制、空间分布等方面的信息。硬X射能区的天文观测一方面可以研究一系列的天体目标或超新星和新星的爆发、核合成等现象，另一方面也可以研究一系列的相互作用的过程：热韧致辐射、同步辐射等。硬X射线调制望远镜HXMT正是推进人类对天体高能辐射过程的认识重要工具。它能完成下述科学任务：（1）完成硬X射线巡天观测，描绘硬X射线天图；（2）对感兴趣天区作深度的成像观测；（3）对特殊的天体作高灵敏度连续观测，得到其辐射的能谱和时间变化。（4）对银道面作周期性扫描观测。
硬X射线调制望远镜HXMT整体结构及其各工作单元的强度和刚度是否能承受发射状态的力学环境，这是对硬X射线调制望远镜HXMT进行设计时必须解决的问题。对设计方案进行计算机有限元动力分析，模拟其发射状态下的力学环境从而实现对设计方案的可行性进行论证，这正是本课题目的所在。
利用现有有限元程序ANSYS和I-DEAS，本文对硬X射线调制望远镜HXMT的重要部件——准直器单体及其硬X射线调制望远镜HXMT整体在发射时的力学环境进行有限元分析。对准直器单体有限元分析时，采用了细致的有限元网格来描述处于发射状态下，准直器单体各结构组成部分的变形情况和应力分布。对硬X射线调制望远镜HXMT整体进行有限元分析时，对于该大型结构，利用结构的特殊性，采用了子结构建模方法和静聚缩（Guyan缩减）法来缩减整体计算模型的自由度数。这些分析方法的采用，在有限的计算机资源条件下，考虑了更多的结构细节，使得对整体结构的计算结果具有更高的可靠性。
准直器单体有限元计算表明：现行设计方案在准直器单体承受正弦激励状态下符合设计要求；但在准直器单体承受冲击激励或随机激励载荷下，现行设计方案不能达到设计要求。
硬X射线调制望远镜HXMT整体有限元分析结果表明：采用螺栓固定的安装方式，硬X射线调制望远镜HXMT在正弦激励状态下满足设计要求。
对于现行硬X射线调制望远镜HXMT设计方案，其准直器单体的设计需进一步改进；硬X射线调制望远镜HXMT整体设计方案已达设计要求。
The energy band of hard X-ray, with strong penetrability, is an important astrophysical wave band. People can get much information of radiant points from the research about it, for example, the size of the radiant points, the mechanism of radiate and space distribution. By observing the energy band of hard X-ray, people not only can expand a series of studies to celestial bodies or phenomena of nova and supernova's breaking out, nucleus's compose, but also many interactional process of thermal braking radiation, synchronal radiation. Accordingly, hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) is a significant implement that will accelerate human's knowledge about the thermal radiation process of high-energy celestial bodies. HXMT can achieve the following science missions: (1) Observing the hard X-ray in the whole space and plotting its distributional map. (2) Image observing the interested space deeply. (3) Continuously and sensitively observing the special celestial bodies, and gained the energy spectrum and changes with time of the celestial bodies' radiation. (4) Observing the galactic plane periodically.
When trying to design the HXMT, it has to be answered that whether the HXMT and its workgroups can endure the mechanics conditions at launching state or not. Then the interest of this paper is that simulating the mechanics conditions and analyzing the design model by computers in order to demonstrate the feasibility of the design project.
In this paper, the HXMT and its main components, collimator parts, are simulated on the mechanics conditions at launching state, by using FEM software, ANSYS and I-DEAS. When simulating the collimator parts, a refined mesh is introduced, in order to characterize the displacement and stress distribution of every subassembly. When simulating the HXMT, the substructure modeling method and static condensation method (Guyan reduction method) are adopted to this great complex structure because of the particularity of the structure's construct. In this way, the simulation results of HXMT become more reliable.
The simulation analysis results of collimator parts indicate that, the collimator parts meet design standard in sine excitation state, but not in impact excitation state or
random excitation state.
Basing the simulation analysis results of HXMT, the following conclusions can be got: the design standard can be met in sine excitation state in bolt fix install method.
Finally, some suggests can be provided: the design project of collimator parts needs to be improved; the design project of HXMT can meet the design standard.
硬X射线调制望远镜HXMT整体结构及其各工作单元的强度和刚度是否能承受发射状态的力学环境，这是对硬X射线调制望远镜HXMT进行设计时必须解决的问题。对设计方案进行计算机有限元动力分析，模拟其发射状态下的力学环境从而实现对设计方案的可行性进行论证，这正是本课题目的所在。
利用现有有限元程序ANSYS和I-DEAS，本文对硬X射线调制望远镜HXMT的重要部件——准直器单体及其硬X射线调制望远镜HXMT整体在发射时的力学环境进行有限元分析。对准直器单体有限元分析时，采用了细致的有限元网格来描述处于发射状态下，准直器单体各结构组成部分的变形情况和应力分布。对硬X射线调制望远镜HXMT整体进行有限元分析时，对于该大型结构，利用结构的特殊性，采用了子结构建模方法和静聚缩（Guyan缩减）法来缩减整体计算模型的自由度数。这些分析方法的采用，在有限的计算机资源条件下，考虑了更多的结构细节，使得对整体结构的计算结果具有更高的可靠性。
准直器单体有限元计算表明：现行设计方案在准直器单体承受正弦激励状态下符合设计要求；但在准直器单体承受冲击激励或随机激励载荷下，现行设计方案不能达到设计要求。
硬X射线调制望远镜HXMT整体有限元分析结果表明：采用螺栓固定的安装方式，硬X射线调制望远镜HXMT在正弦激励状态下满足设计要求。
对于现行硬X射线调制望远镜HXMT设计方案，其准直器单体的设计需进一步改进；硬X射线调制望远镜HXMT整体设计方案已达设计要求。
The energy band of hard X-ray, with strong penetrability, is an important astrophysical wave band. People can get much information of radiant points from the research about it, for example, the size of the radiant points, the mechanism of radiate and space distribution. By observing the energy band of hard X-ray, people not only can expand a series of studies to celestial bodies or phenomena of nova and supernova's breaking out, nucleus's compose, but also many interactional process of thermal braking radiation, synchronal radiation. Accordingly, hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) is a significant implement that will accelerate human's knowledge about the thermal radiation process of high-energy celestial bodies. HXMT can achieve the following science missions: (1) Observing the hard X-ray in the whole space and plotting its distributional map. (2) Image observing the interested space deeply. (3) Continuously and sensitively observing the special celestial bodies, and gained the energy spectrum and changes with time of the celestial bodies' radiation. (4) Observing the galactic plane periodically.
When trying to design the HXMT, it has to be answered that whether the HXMT and its workgroups can endure the mechanics conditions at launching state or not. Then the interest of this paper is that simulating the mechanics conditions and analyzing the design model by computers in order to demonstrate the feasibility of the design project.
In this paper, the HXMT and its main components, collimator parts, are simulated on the mechanics conditions at launching state, by using FEM software, ANSYS and I-DEAS. When simulating the collimator parts, a refined mesh is introduced, in order to characterize the displacement and stress distribution of every subassembly. When simulating the HXMT, the substructure modeling method and static condensation method (Guyan reduction method) are adopted to this great complex structure because of the particularity of the structure's construct. In this way, the simulation results of HXMT become more reliable.
The simulation analysis results of collimator parts indicate that, the collimator parts meet design standard in sine excitation state, but not in impact excitation state or
random excitation state.
Basing the simulation analysis results of HXMT, the following conclusions can be got: the design standard can be met in sine excitation state in bolt fix install method.
Finally, some suggests can be provided: the design project of collimator parts needs to be improved; the design project of HXMT can meet the design standard.
引文
［1］ 中国科学院. 硬X射线调制望远镜HXMT总体设计方案报告.
北京. 2002年1月
［2］ 中国科学院. 硬X射线调制望远镜HXMT准直器研制方案报告.
北京. 2002年1月
［3］ 中国科学院. 硬X射线调制望远镜HXMT总体机械结构研制方案报告.
北京. 2002年1月
［4］ 中国科学院. 硬X射线调制望远镜HXMT结构设计说明书.
北京. 2002年1月
［5］ 中国科学院空间科学与应用研究中心. 硬X射线调制望远镜HXMT卫星力学环境试验规范. 北京. 2001.09.28.
［6］ 机械工程手册第二版第三卷. 北京. 机械工业出版社.
1996年9月. 6-5～6-7.
［7］ ANSYS基本分析过程指南. 美国ANSYS公司北京办事处. 1998年
［8］ ANSYS高级技术分析指南. 美国ANSYS公司北京办事处. 1998年.
［9］ ANSYS动力分析指南. 美国ANSYS公司北京办事处. 1998年.
［10］ 易日. 使用ANSYS6.1进行结构力学分析.第1版. 北京. 北京大学出版社.
2002年11月. 235～273.
［11］ 刘涛,杨凤鹏. 精通ANSYS. 第1版. 北京. 清华大学出版社.
2002年9月.303～337.
［12］ 谭建国. 使用ANSYS6.0进行有限元分析. 第1版. 北京. 北京大学出版社.
2002年5月.
［13］ 刘国庆,杨庆东. ANSYS工程应用教程——机械篇. 第1版. 中国铁道出版社.
2003年1月.
［14］ 王勖成,邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法. 第2版. 北京. 清华大学出版社.
1997年3月.
［15］ O. C. 监凯维奇著. 尹泽勇,柴家振译. 有限元法. 第1版. 科学出版社. 北京.
1985年11月.
［16］ 成祥生. 应用板壳理论. 第1版. 济南. 山东科学出版社. 1989年.
［17］ 吴家龙. 弹性力学. 第2版. 上海. 同济大学出版社. 1996年3月.
［18］ 马安禧等. 材料力学. 第2版. 河北. 高等教育出版社. 1990年.
［19］ Zienkiewicz, O. C. and Taylor, R. L., The Finite Element Method, Volume 1, Basic Formulation and Linear Problems, 4th Edition, London, McGraw-Hill, 1989, pp 135-137, 304-310.
［20］ Hughes, T. J. R., The Finite Element Method, Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis, 1st Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1987, pp 232-237.
［21］ Cook, R. D., Malkus, D. S. and Plesha, M. E., Concepts and Applications of Finite Element Analysis, 3rd Edition, John Wiley & Sons, New York, 1989, pp 151-152, 159.
［22］ Guyan, R. J., Reduction of Stiffness and Mass Matrices, AIAA Journal, Vol. 3, No. 2 (February, 1965).
［23］ Oden, J. T., Mechanics of Elastic Structures, 1st Edition, New York, McGraw-Hill, (1968).
［24］ Przemieniecki, J. S., Theory of Matrix Structural Analysis, 1st Edition, New York, McGraw-Hill, (1968).
［25］ H. I. 劳森著. 邹汉道等译. 结构分析. 第1版. 北京. 科学出版社. 1995年1月.
［26］ Roark, R. J., and Young, W. C., Formulas for Stress and Strain, McGraw-Hill, New York (1975).
［27］ James A. D. Balfour, Computer Analysis of Structural Frameworks. London, Oxford University Press,(1992).
［28］ 殷学纲,陈淮,蹇开林. 结构振动分析的子结构方法. 第1版. 北京. 中国铁道出版社. 1991年9月. 230～280.
［29］ 王文亮,杜作润. 结构振动与动态子结构方法. 第1版. 上海. 复旦大学出版社. 1985年.
［30］ 徐稼轩,郑铁生. 结构动力分析的数值方法. 第1版. 西安. 西安交通大学出版社.
1993年6月. 198～207.
Vanmarcke, E. H., Structural Response to Earthquakes, Seismic Risk and
［31］ Engineering Decisions, 1st Edition, New York, Elsvier Scientific Publishing Co., Amsterdam-Oxford, (edited by C. Lomnitz and E. Rosemblueth), pp. 287-337 (1976).
［32］ Beer, F. P., and Johnston, R. E., Vector Mechanics for Engineers, 1st Edition, New York, Statics and Dynamics, McGraw-Hill, (1962).
［33］ Eer Nisse, N. P. Variational Method for Electroelastic Vibration Analysis, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-14, No. 4 (1967).
［34］ 刘延柱,陈文良,陈立群. 振动力学. 第1版. 北京. 高等教育出版社. 1998年10月. 282～290.
［35］ 朱位秋. 随机振动. 第1版. 北京. 科学出版社. 1994年.
［36］ 方同. 工程随机振动. 第1版. 北京. 国防工业出版社. 1995年.
［37］ 夏永源,张阿舟. 机械振动问题的计算机解法. 第1版. 北京. 国防工业出版社. 1993年.
［38］ 庄表中,王行新. 随机振动概论. 第1版. 北京. 地震出版社. 1982年6月. 246～256.
［39］ 李德葆. 振动模态分析及其应用. 第1版. 北京. 宇航出版社. 1989年9月.
［40］ 张汝清. 固体力学变分原理及其应用. 第1版. 重庆. 重庆大学出版社. 1991年8月.
北京. 2002年1月
［2］ 中国科学院. 硬X射线调制望远镜HXMT准直器研制方案报告.
北京. 2002年1月
［3］ 中国科学院. 硬X射线调制望远镜HXMT总体机械结构研制方案报告.
北京. 2002年1月
［4］ 中国科学院. 硬X射线调制望远镜HXMT结构设计说明书.
北京. 2002年1月
［5］ 中国科学院空间科学与应用研究中心. 硬X射线调制望远镜HXMT卫星力学环境试验规范. 北京. 2001.09.28.
［6］ 机械工程手册第二版第三卷. 北京. 机械工业出版社.
1996年9月. 6-5～6-7.
［7］ ANSYS基本分析过程指南. 美国ANSYS公司北京办事处. 1998年
［8］ ANSYS高级技术分析指南. 美国ANSYS公司北京办事处. 1998年.
［9］ ANSYS动力分析指南. 美国ANSYS公司北京办事处. 1998年.
［10］ 易日. 使用ANSYS6.1进行结构力学分析.第1版. 北京. 北京大学出版社.
2002年11月. 235～273.
［11］ 刘涛,杨凤鹏. 精通ANSYS. 第1版. 北京. 清华大学出版社.
2002年9月.303～337.
［12］ 谭建国. 使用ANSYS6.0进行有限元分析. 第1版. 北京. 北京大学出版社.
2002年5月.
［13］ 刘国庆,杨庆东. ANSYS工程应用教程——机械篇. 第1版. 中国铁道出版社.
2003年1月.
［14］ 王勖成,邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法. 第2版. 北京. 清华大学出版社.
1997年3月.
［15］ O. C. 监凯维奇著. 尹泽勇,柴家振译. 有限元法. 第1版. 科学出版社. 北京.
1985年11月.
［16］ 成祥生. 应用板壳理论. 第1版. 济南. 山东科学出版社. 1989年.
［17］ 吴家龙. 弹性力学. 第2版. 上海. 同济大学出版社. 1996年3月.
［18］ 马安禧等. 材料力学. 第2版. 河北. 高等教育出版社. 1990年.
［19］ Zienkiewicz, O. C. and Taylor, R. L., The Finite Element Method, Volume 1, Basic Formulation and Linear Problems, 4th Edition, London, McGraw-Hill, 1989, pp 135-137, 304-310.
［20］ Hughes, T. J. R., The Finite Element Method, Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis, 1st Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1987, pp 232-237.
［21］ Cook, R. D., Malkus, D. S. and Plesha, M. E., Concepts and Applications of Finite Element Analysis, 3rd Edition, John Wiley & Sons, New York, 1989, pp 151-152, 159.
［22］ Guyan, R. J., Reduction of Stiffness and Mass Matrices, AIAA Journal, Vol. 3, No. 2 (February, 1965).
［23］ Oden, J. T., Mechanics of Elastic Structures, 1st Edition, New York, McGraw-Hill, (1968).
［24］ Przemieniecki, J. S., Theory of Matrix Structural Analysis, 1st Edition, New York, McGraw-Hill, (1968).
［25］ H. I. 劳森著. 邹汉道等译. 结构分析. 第1版. 北京. 科学出版社. 1995年1月.
［26］ Roark, R. J., and Young, W. C., Formulas for Stress and Strain, McGraw-Hill, New York (1975).
［27］ James A. D. Balfour, Computer Analysis of Structural Frameworks. London, Oxford University Press,(1992).
［28］ 殷学纲,陈淮,蹇开林. 结构振动分析的子结构方法. 第1版. 北京. 中国铁道出版社. 1991年9月. 230～280.
［29］ 王文亮,杜作润. 结构振动与动态子结构方法. 第1版. 上海. 复旦大学出版社. 1985年.
［30］ 徐稼轩,郑铁生. 结构动力分析的数值方法. 第1版. 西安. 西安交通大学出版社.
1993年6月. 198～207.
Vanmarcke, E. H., Structural Response to Earthquakes, Seismic Risk and
［31］ Engineering Decisions, 1st Edition, New York, Elsvier Scientific Publishing Co., Amsterdam-Oxford, (edited by C. Lomnitz and E. Rosemblueth), pp. 287-337 (1976).
［32］ Beer, F. P., and Johnston, R. E., Vector Mechanics for Engineers, 1st Edition, New York, Statics and Dynamics, McGraw-Hill, (1962).
［33］ Eer Nisse, N. P. Variational Method for Electroelastic Vibration Analysis, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-14, No. 4 (1967).
［34］ 刘延柱,陈文良,陈立群. 振动力学. 第1版. 北京. 高等教育出版社. 1998年10月. 282～290.
［35］ 朱位秋. 随机振动. 第1版. 北京. 科学出版社. 1994年.
［36］ 方同. 工程随机振动. 第1版. 北京. 国防工业出版社. 1995年.
［37］ 夏永源,张阿舟. 机械振动问题的计算机解法. 第1版. 北京. 国防工业出版社. 1993年.
［38］ 庄表中,王行新. 随机振动概论. 第1版. 北京. 地震出版社. 1982年6月. 246～256.
［39］ 李德葆. 振动模态分析及其应用. 第1版. 北京. 宇航出版社. 1989年9月.
［40］ 张汝清. 固体力学变分原理及其应用. 第1版. 重庆. 重庆大学出版社. 1991年8月.