HyperWorks 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[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)。

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。

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。

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

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。

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。

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

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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