HyperWorks在空間相機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2016-09-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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(wǎng)格劃分,并運用 OptiStruct對有限元模型進行靜力分析和模態(tài)分析。在分析基礎(chǔ)上, 對初步的三維概念模型進行優(yōu)化設(shè)計,并和原有結(jié)果進行分析比較。結(jié)果表明,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)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(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計空間相機優(yōu)化設(shè)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(nèi)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(guān)鍵組件之一。在設(shè)計初期階段,為了驗證所設(shè)計結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(tài)分析。驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,并為后續(xù)空間力學環(huán)境試驗提供參考。

2 空間相機結(jié)構(gòu)

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

HyperWorks 在空間相機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

圖 1 某空間相機結(jié)構(gòu)圖

3 有限元模型建立

3.1 幾何清理

此相機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為IGES格式,再導入至HyperMesh。原模型含有很多細節(jié)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(shè)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(jié)信息進行簡化,以便于網(wǎng)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(shù)據(jù)時可能會存在縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷,導致單元質(zhì)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(wǎng)格劃分

由于該結(jié)構(gòu)模型比較規(guī)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(lián)接采用重節(jié)點方式。鏡頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形不是我們關(guān)注重點,采用 PMASS 質(zhì)點單元代替內(nèi)部結(jié)構(gòu),并用 RIGID 單元使質(zhì)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(jié)構(gòu)中各零部件所用材料及屬性如表 2

4 靜力分析

強度是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),在重力載荷作用下,會發(fā)生微小變形。為了驗證所設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性,對整體結(jié)構(gòu)進行了靜力分析。

4.1 邊界和載荷條件

根據(jù)實際情況,完全約束箱體底板四個聯(lián)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(jié)果

所得位移云圖如圖 4 所示,由靜力分析結(jié)果可以看出,結(jié)構(gòu)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(tài)分析

模態(tài)分析是最基本最重要的結(jié)構(gòu)動態(tài)分析,為相機研制過程中的重要組成部分。為了了解結(jié)構(gòu) 動態(tài)特性,必須認識結(jié)構(gòu)的基本模態(tài)。模態(tài)分析結(jié)果表示了結(jié)構(gòu)固有動力學特性,并為后續(xù)動力分析(如瞬態(tài)響應(yīng)分析、頻率響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析等)提供了依據(jù)。模態(tài)分析所得到的固有頻率和振型可驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,有效地改進設(shè)計,并為相機后續(xù)的力學環(huán)境試驗提供理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
對相機整體進行模態(tài)分析結(jié)果如表 3、圖 5 所示。

圖 5 相機整體前六階模態(tài)

由表 3 可以看出,相機的整體基頻比較小。同時,經(jīng)過初始方案設(shè)計,發(fā)現(xiàn)電路板厚度較薄, 整體剛度不足,造成電路板響應(yīng)過大。根據(jù)有限元分析結(jié)果,對電路板組件進行優(yōu)化設(shè)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(jié)果如圖 6 所示。

圖 6 優(yōu)化后電路板組件

優(yōu)化后的有限元模型靜力變形最大值為 2.54X10-7m。優(yōu)化后的整體模態(tài)如表 4

7 結(jié)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(jié)構(gòu)有限元模型,并利用

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

根據(jù)分析結(jié)果,對原有電路板組件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化之后,最大靜力變形從4.41X10-7m 到 2.54X10-7m,減小了 42.4%?；l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(jié)果可為空間相機的研發(fā)、力學試驗提供參考。

8 參考文獻

[1] 陳世平. 空間相機設(shè)計與試驗. 宇航出版社,2003

[2] 張勝蘭鄭冬黎等. 基于 HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù). 機械工業(yè)出版社,2007 [3] HyperWorks Desktop User’s Guide