CAE在空間相機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

 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(xué)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(jìn)行靜力學(xué)分析以及固有振動分析。

 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(jìn)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(xué)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)。

圖1某空間相機結(jié)構(gòu)圖

 3、有限元模型建立

 （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(jìn)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(dǎo)入至HyperMesh。原模型含有很多細(xì)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(zhǔn)確模擬這些特征，需要用到很多小單元，導(dǎo)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(xì)節(jié)信息進(jìn)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(dǎo)入時可能會出錯，如導(dǎo)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(dǎo)致單元質(zhì)量不高，求解精度差。清理后的模型如圖2所示。

圖2幾何清理后的模型

 （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。

表1相機有限元模型節(jié)點信息

圖3相機各零部件有限元模型

 （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

表2材料及屬性列表

 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(jìn)行了靜力分析。

 （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(fù)向加載1g的慣性載荷。

 （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(yuǎn)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(rèn)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(xué)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(jìn)設(shè)計，并為相機后續(xù)的力學(xué)環(huán)境試驗提供理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

 對相機整體進(jìn)行模態(tài)分析結(jié)果如表3、圖5所示。

表3相機整體模態(tài)

圖5相機整體前六階模態(tài)

 6、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

 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(jìn)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(jìn)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

表4優(yōu)化設(shè)計后相機整體模態(tài)

 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(jìn)行靜力學(xué)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(jìn)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%。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(jié)果可為空間相機的研發(fā)、力學(xué)試驗提供參考。

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