Page 93 - 《真空与低温》2025年第4期

508 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

过程，分析该栅极问题时，需提取最大阶数对应 向，其中，载荷 Mises 应力及形变计算结果如图 5
频率对应的总有效质量达到可运动总质量的 90% 所示。
[15]
以 上 。 利 用 Standard 模 块 对 LIPS-100 碳 -碳 栅
变形位移/mm
极 组 件 进 行 模 态 分 析， 提 取 结 果 如 表 4 所 列 ， 1.000 −1
8.973×10 −1
其中，f 为各阶对应模态频率，m z 为各阶对应有效 7.945×10 −1
6.918×10
5.891×10 −1
−1
质量百分比，m z 小于 0.1% 时可忽略不计，以“-” 4.864×10 −1
3.836×10
2.809×10 −1
表示。 1.782×10 −1
−2
7.543×10
−2.730×10 −2
−1
−1.300×10
−2.328×10 −1
表 4 前 20 阶主模态
Tab. 4 The first 20 main mode
（a）屏栅在 8 阶模态出现首阶振型
阶次 频率 f/Hz 有效质量百分比 m z /%
变形位移/mm
1 971.01 46.50 1.000
9.671×10 −1
−1
2 971.59 - 9.343×10 −1
9.014×10
8.685×10 −1
3 1 002.6 8.18 8.357×10 −1
8.028×10 −1
4 1 362.4 - 7.699×10 −1
7.371×10 −1
−1
5 1 363.0 - 7.042×10 −1
6.713×10
6.385×10 −1
6 1 377.7 - 6.056×10 −1
7 1 378.6 -
8 1 537.8 10.56
（b）加速栅在 3 阶模态出现首阶振型
9 1 569.7 0.15
10 1 578.6 - 图 4 栅极零件首阶振型
11 1 635.5 - Fig. 4 First order vibration mode of grid components

12 1 646.4 0.54
碳-碳栅极组件 Z 向最大 Mises 应力为 3.224 MPa，
13 1 708.3 -
最大形变出现在 1 阶模态下，位移量为 4.154×10 mm。
−7
14 1 738.1 -
15 1 752.8 - 工程设计中，对于栅极主要关注的是屏栅与加速
16 1 780.0 - 栅应力分布及形变，该问题会直接导致循环冲击
17 1 852.7 - 下双栅变形接触短路问题。屏栅与加速栅应力云
18 1 859.8 -
图分析结果显示，屏栅应力集中主要出现在栅极
19 1 932.4 1.15
安装孔处，应力极值为 0.517 MPa，加速栅应力集中
20 1 932.9 -
主要出现在栅极安装孔及栅面边缘处，应力极值

由模态分析结果可知，10 cm 口径碳-碳栅极组 为 0.116 MPa，两组栅极均未超过材料许用应力要
件首阶模态为 971.01 Hz，满足航天组件级产品技 求。屏栅与加速栅最大位移均出现在栅极中心处，
术指标中首阶固态频率＞100 Hz 的要求，屏栅在 屏栅最大形变出现在组件 8 阶模态下，位移量为 3.255×
−8
8 阶模态出现首阶振型，加速栅在 3 阶模态出现首 10 mm，加速栅最大形变出现在组件 3 阶模态下，
−9
阶振型，如图 4 所示。 位移量为 4.023×10 mm，这与前处理过程中栅极

3.2 随机振动分析结果 组件模态分析结果一致，验证了栅极零件与组件仿
根据前述随机振动边界条件，沿栅极组件 Z 向 真的一致性。

设置表 2 所列随机振动载荷。由计算结果可知， 3.3 响应谱分析结果
LIPS-100 碳 -碳 栅 极 组 件 最 大 Mises 应 力 出 现 在 根 据 前 述 冲 击 边 界 条 件， 对 栅 极 组 件 施 加
栅极屏栅与加速栅安装耳片处，首阶模态下栅极 1 000g 加速度冲击，设置加载时间不超过 20 ms，分
组件 X、Y 向形变显著小于 Z 向形变，约 2 个数量 析 不 同 频 域 上 栅 极 峰 值 响 应 。 提 取 栅 极 组 件
级，结合实际工程经验，主要以栅极组件 Z 向，即沿 载荷 Mises 应力及形变计算结果如图 6 所示。
放电室轴向方向作为力学薄弱点分析对象。选取 由响应谱仿真结果可知，栅极组件最大应力
栅极组件、屏栅及加速栅 Z 向作为应力场输出方 仍位于栅极安装耳片处，Z 向最大应力为 4.033 MPa。