CAE在空间相机结构设计中的应用

 1 引言

相机主体由镜头与焦面盒组成，其中镜头内有光学等敏感元件，而焦面盒组件集光、机、电、热于一体，为相机关键组件之一。在设计初期阶段，为了验证所设计结构的合理性，需对其进行静力学分析以及固有振动分析。

本文在SolidWorks提供三维模型基础上，利用HyperMesh对装配体建立有限元模型，对其进行了静力分析和模态分析。验证了结构设计的合理性，并为后续空间力学环境试验提供参考。

2 空间相机结构

某空间相机结构如图1所示，包括镜头、焦面盒以及电路板组件。整体外包络尺寸为191X110X143(mm)。

图 1 某空间相机结构图

3 有限元模型建立

3.1 几何清理

此相机结构模型采用SolidWorks建立，采用HyperWorks对其进行有限元分析之前，需将原装配体格式转换为IGES格式，再导入至HyperMesh。原模型含有很多细节特征，如倒圆、小孔，以及电路板上的很多小插件。如果要准确模拟这些特征，需要用到很多小单元，导致求解时间延长。而对于设计初始阶段，有限元分析只需要简化的几何模型，因此需要对这些细节信息进行简化，以便于网格划分和分析。此外，模型的一些几何信息在导入时可能会出错，如导入曲面数据时可能会存在缝隙、重叠、边界错位等缺陷，导致单元质量不高，求解精度差。清理后的模型如图2所示。

  图 2 几何清理后的模型

3.2 网格划分

由于该结构模型比较规则，尺寸不大，相机各部件均采用正六面体为主的实体单元建模。为了简化，镜头与焦面盒之间的联接采用重节点方式。镜头内部结构的变形不是我们关注重点，采用PMASS质点单元代替内部结构，并用RIGID单元使质点单元与镜头成为一个整体。有限元模型如图3，信息如表1。

表 1 相机有限元模型节点信息

图 3 相机各零部件有限元模型

3.3 材料和属性

相机结构中各零部件所用材料及属性如表2          

 表 2 材料及属性列表

4 静力分析

强度是结构件正常工作必须满足的基本条件。本例中，由于镜头为悬臂结构，在重力载荷作用下，会发生微小变形。为了验证所设计结构的合理性，对整体结构进行了静力分析。

4.1 边界和载荷条件

根据实际情况，完全约束箱体底板四个联接孔的六个方向自由度，并沿着模型Y轴负向加载1g的惯性载荷。

4.2 计算结果

所得位移云图如图4所示，由静力分析结果可以看出，结构的最大变形为4.41X10-7m，主要集中在远离镜头的一块电路板框架上。

 图 4 相机组件位移变形云图

5 模态分析

模态分析是最基本最重要的结构动态分析，为相机研制过程中的重要组成部分。为了了解结构动态特性，必须认识结构的基本模态。模态分析结果表示了结构固有动力学特性，并为后续动力分析（如瞬态响应分析、频率响应分析、响应谱分析等）提供了依据。模态分析所得到的固有频率和振型可验证结构设计的合理性，有效地改进设计，并为相机后续的力学环境试验提供理论数据基础。

对相机整体进行模态分析结果如表3、图5所示。

表 3 相机整体模态

图 5 相机整体前六阶模态

6 结构优化设计

由表3可以看出，相机的整体基频比较小。同时，经过初始方案设计，发现电路板厚度较薄，整体刚度不足，造成电路板响应过大。根据有限元分析结果，对电路板组件进行优化设计。在电路板支架之间增加了20X4X20(mm)的加强筋，并对其进行有限元分析，修改之后的有限元模型结果如图6所示。

 图 6 优化后电路板组件

优化后的有限元模型静力变形最大值为2.54X10-7m。

优化后的整体模态如表4

 表 4优化设计后相机整体模态

7 结论

本文利用了HyperMesh强大的前处理功能，建立某空间相机组件结构有限元模型，并利用OptiStruct对模型进行静力学分析以及模态分析，极大的缩短了概念设计阶段产品研制的周期。

根据分析结果，对原有电路板组件结构进行优化设计。优化之后，最大静力变形从4.41X10-7m到2.54X10-7m，减小了42.4%。基频从553HZ到620HZ，提高了12.1%，并使电路板组件的摆动问题得到了有效解决，满足了总体要求。本文仿真分析结果可为空间相机的研发、力学试验提供参考。

本文转自【有限元科技】