HyperWorks在空間相機結構設計中的應用

2016-09-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

Hyperworks Application on The Design ofMechanical Structure of Space Camera

葉徑胡斌成鵬飛
(中國科學院西安光學精密機械研究所西安 710119)

摘要:本文基于某空間相機SolidWorks三維模型,利用Altair公司的前處理軟件HyperMesh建立有限元模型。有效的簡化了原三維模型,采用以六面體為主的實體單元對鏡頭、焦面盒以及電路板支架進行網格劃分,并運用 OptiStruct對有限元模型進行靜力分析和模態分析。在分析基礎上, 對初步的三維概念模型進行優化設計,并和原有結果進行分析比較。結果表明,經過優化設計之后, 模型的最大靜力變形減小了42.4%,基頻提高了12.1%,并成功解決了電路板組件的擺動問題,滿足了應用要求。

關鍵詞:結構設計空間相機優化設計 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

相機主體由鏡頭與焦面盒組成,其中鏡頭內有光學等敏感元件,而焦面盒組件集光、機、電、熱于一體,為相機關鍵組件之一。在設計初期階段,為了驗證所設計結構的合理性,需對其進行靜力學分析以及固有振動分析[1]。

本文在 SolidWorks 提供三維模型基礎上,利用HyperMesh對裝配體建立有限元模型,對其進行了靜力分析和模態分析。驗證了結構設計的合理性,并為后續空間力學環境試驗提供參考。

2 空間相機結構

某空間相機結構如圖 1 所示,包括鏡頭、焦面盒以及電路板組件。整體外包絡尺寸為191X110X143(mm)。

圖 1 某空間相機結構圖

3 有限元模型建立

3.1 幾何清理

此相機結構模型采用SolidWorks建立, 采用HyperWorks對其進行有限元分析之前,需將原裝配體格式轉換為IGES格式,再導入至HyperMesh。原模型含有很多細節特征,如倒圓、小孔,以及電路板上的很多小插件。如果要準確模擬這些特征,需要用到很多小單元,導致求解時間延長。而對于設計初始階段,有限元分析只需要簡化的幾何模型,因此需要對這些細節信息進行簡化,以便于網格劃分和分析。此外,模型的一些幾何信息在導入時可能會出錯,如導入曲面數據時可能會存在縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷,導致單元質量不高,求解精度差[2]。清理后的模型如圖 2 所示。

圖 2 幾何清理后的模型

3.2 網格劃分

由于該結構模型比較規則,尺寸不大,相機各部件均采用正六面體為主的實體單元建模。為了簡化,鏡頭與焦面盒之間的聯接采用重節點方式。鏡頭內部結構的變形不是我們關注重點,采用 PMASS 質點單元代替內部結構,并用 RIGID 單元使質點單元與鏡頭成為一個整體。有限元模型如圖 3,信息如表 1。

圖 3 相機各零部件有限元模型

3.3 材料和屬性

相機結構中各零部件所用材料及屬性如表 2

4 靜力分析

強度是結構件正常工作必須滿足的基本條件。本例中,由于鏡頭為懸臂結構,在重力載荷作用下,會發生微小變形。為了驗證所設計結構的合理性,對整體結構進行了靜力分析。

4.1 邊界和載荷條件

根據實際情況,完全約束箱體底板四個聯接孔的六個方向自由度,并沿著模型 Y 軸負向加載 1g
的慣性載荷。

4.2 計算結果

所得位移云圖如圖 4 所示,由靜力分析結果可以看出,結構的最大變形為 4.41X10-7m,主要集中在遠離鏡頭的一塊電路板框架上。

圖 4 相機組件位移變形云圖

5 模態分析

模態分析是最基本最重要的結構動態分析,為相機研制過程中的重要組成部分。為了了解結構動態特性,必須認識結構的基本模態。模態分析結果表示了結構固有動力學特性,并為后續動力分析(如瞬態響應分析、頻率響應分析、響應譜分析等)提供了依據。模態分析所得到的固有頻率和振型可驗證結構設計的合理性,有效地改進設計,并為相機后續的力學環境試驗提供理論數據基礎。
對相機整體進行模態分析結果如表 3、圖 5 所示。

圖 5 相機整體前六階模態

由表 3 可以看出,相機的整體基頻比較小。同時,經過初始方案設計,發現電路板厚度較薄, 整體剛度不足,造成電路板響應過大。根據有限元分析結果,對電路板組件進行優化設計。在電路板支架之間增加了 20X4X20(mm)的加強筋,并對其進行有限元分析,修改之后的有限元模型結果如圖 6 所示。

圖 6 優化后電路板組件

優化后的有限元模型靜力變形最大值為 2.54X10-7m。優化后的整體模態如表 4

7 結論

本文利用了 HyperMesh 強大的前處理功能,建立某空間相機組件結構有限元模型,并利用

OptiStruct 對模型進行靜力學分析以及模態分析,極大的縮短了概念設計階段產品研制的周期。

根據分析結果,對原有電路板組件結構進行優化設計。優化之后,最大靜力變形從4.41X10-7m 到 2.54X10-7m,減小了 42.4%。基頻從 553HZ 到 620HZ,提高了12.1%,并使電路板組件的擺動問題得到了有效解決,滿足了總體要求。本文仿真分析結果可為空間相機的研發、力學試驗提供參考。

8 參考文獻

[1] 陳世平. 空間相機設計與試驗. 宇航出版社,2003

[2] 張勝蘭鄭冬黎等. 基于 HyperWorks 的結構優化設計技術. 機械工業出版社,2007 [3] HyperWorks Desktop User’s Guide