HyperWorks在空间相机结构设计中的创新应用

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[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 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)。

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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。

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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。

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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

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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。

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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。

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图 5 相机整体前六阶模态


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。

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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

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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。


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