HyperWorks在空間相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2016-09-27 by:CAE仿真在線來(lái)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(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所西安 710119)

摘要:本文基于某空間相機(jī)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(jiǎn)化了原三維模型,采用以六面體為主的實(shí)體單元對(duì)鏡頭、焦面盒以及電路板支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并運(yùn)用 OptiStruct對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析。在分析基礎(chǔ)上, 對(duì)初步的三維概念模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并和原有結(jié)果進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)問(wèn)題,滿足了應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 空間相機(jī) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(jī)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(jī)、電、熱于一體,為相機(jī)關(guān)鍵組件之一。在設(shè)計(jì)初期階段,為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性,需對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析以及固有振動(dòng)分析[1]。

本文在 SolidWorks 提供三維模型基礎(chǔ)上,利用HyperMesh對(duì)裝配體建立有限元模型,對(duì)其進(jìn) 行了靜力分析和模態(tài)分析。驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,并為后續(xù)空間力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)提供參考。

2 空間相機(jī)結(jié)構(gòu)

某空間相機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖 1 某空間相機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 有限元模型建立

3.1 幾何清理

此相機(jī)結(jié)構(gòu)模型采用SolidWorks建立, 采用HyperWorks對(duì)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(shí)間延長(zhǎng)。而對(duì)于設(shè)計(jì)初始階段,有限元分析只需要簡(jiǎn)化的幾何模型,因此需要對(duì)這些細(xì)節(jié)信息進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)可能會(huì)出錯(cuò),如導(dǎo)入曲面數(shù)據(jù)時(shí)可能會(huì) 存在縫隙、重疊、邊界錯(cuò)位等缺陷,導(dǎo)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(jī)各部件均采用正六面體為主的實(shí)體單元建模。為了簡(jiǎn)化,鏡頭與焦面盒之間的聯(lián)接采用重節(jié)點(diǎn)方式。鏡頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形不是我們關(guān)注重點(diǎn),采用 PMASS 質(zhì)點(diǎn)單元代替內(nèi)部結(jié)構(gòu),并用 RIGID 單元使質(zhì)點(diǎn)單元與鏡頭成為一個(gè)整體。有限元模型如圖 3,信息如表 1。

圖 3 相機(jī)各零部件有限元模型

3.3 材料和屬性

相機(jī)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(qiáng)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(huì)發(fā)生微小變形。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性,對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析。

4.1 邊界和載荷條件

根據(jù)實(shí)際情況,完全約束箱體底板四個(gè)聯(lián)接孔的六個(gè)方向自由度,并沿著模型 Y 軸負(fù)向加載 1g
的慣性載荷。

4.2 計(jì)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(jī)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(dòng)態(tài)分析,為相機(jī)研制過(guò)程中的重要組成部分。為了了解結(jié)構(gòu) 動(dòng)態(tài)特性,必須認(rèn)識(shí)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(dòng)力學(xué)特性,并為后續(xù)動(dòng)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(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,有效地改進(jìn)設(shè)計(jì),并為相機(jī)后續(xù)的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)提供理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
對(duì)相機(jī)整體進(jìn)行模態(tài)分析結(jié)果如表 3、圖 5 所示。

圖 5 相機(jī)整體前六階模態(tài)

由表 3 可以看出,相機(jī)的整體基頻比較小。同時(shí),經(jīng)過(guò)初始方案設(shè)計(jì),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(guò)大。根據(jù)有限元分析結(jié)果,對(duì)電路板組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在電路板支架之間增加了 20X4X20(mm)的加強(qiáng)筋,并對(duì)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

7 結(jié)論

本文利用了 HyperMesh 強(qiáng)大的前處理功能,建立某空間相機(jī)組件結(jié)構(gòu)有限元模型,并利用

OptiStruct 對(duì)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(jì)階段產(chǎn)品研制的周期。

根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)原有電路板組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(dòng)問(wèn)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(jī)的研發(fā)、力學(xué)試驗(yàn)提供參考。

8 參考文獻(xiàn)

[1] 陳世平. 空間相機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn). 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(jì)技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社,2007 [3] HyperWorks Desktop User’s Guide