HyperWorks 在空间相机结构设计中的应用
摘要: Hyperworks Application on The Design ofMechanical Structure of Space Camera叶径 胡斌 成鹏飞（中国科学院西安光学精密机械研究所 西安 710119）摘 要：本文基于某空间相机SolidWorks三维模型，利用Altair公司的前处理软件HyperMesh建 立有限元模型。有效的简化了原三维模型，采用以六面体为主的实体单元对镜头、焦面盒以及电路 板支架进行网格划分，并运用 OptiStruct对有限元模型进行静力分析和模态分析 ...
Hyperworks Application on The Design of Mechanical Structure of Space Camera 叶径 胡斌 成鹏飞 （中国科学院西安光学精密机械研究所 西安 710119） 摘 要：本文基于某空间相机SolidWorks三维模型，利用Altair公司的前处理软件HyperMesh建 立有限元模型。有效的简化了原三维模型，采用以六面体为主的实体单元对镜头、焦面盒以及电路 板支架进行网格划分，并运用 OptiStruct对有限元模型进行静力分析和模态分析。在分析基础上， 对初步的三维概念模型进行优化设计，并和原有结果进行分析比较。结果表明，经过优化设计之后， 模型的最大静力变形减小了42.4%，基频提高了12.1%，并成功解决了电路板组件的摆动问题，满 足了应用要求。 关键词：结构设计 空间相机 优化设计 HyperMesh OptiStruct Abstract: The finite element model is established using Altair's HyperMesh software based on the SolidWorks model of a space camera. The original model has been simplified significantly, in which the lens, the focal plane box, and the circuit plate bracket are meshed with hexahedral solid elements. The static analysis and modal analysis have been applied to the finite element model. According to the analysis result, the preliminary conceptual model has been optimized. Compared with the original, the maximum static deformation has been reduced by 42.4 percent, the fundamental frequency by 12.1%, and the circuit board assembly swing problem has been solved successfully. The results fulfilled the application requirements. Key words: Structure Design, Space Camera, Optimal Design, HyperMesh, OptiStruct 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[1]。 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，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[2]。清理后的模型如图 2 所示。 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
镜头 箱体侧视图 电路板组件 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。 8 参考文献 [1] 陈世平. 空间相机设计与试验. 宇航出版社,2003 [2] 张胜兰 郑冬黎 等. 基于 HyperWorks 的结构优化设计技术. 机械工业出版社,2007 [3] HyperWorks Desktop User’s Guide |
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