70_HyperWorks在航空相机焦面组件结构力学分析上的应用_常君磊

Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 1 - HyperWorks 在空间相机焦面组件 结构力学分析上的应用 常君磊 雷文平 （北京空间机电研究所，北京 100076） 摘要：本文基于某空间相机焦面组件，使用 HyperWorks HyperMesh软件进行有限元模型的 前处理，使用 HyperWorks RADIOSS求解器进行模态分析、正弦响应分析、随机响应分析， 利用HyperView进行结果后处理。仿真分析结果为空间相机研发设计以及振动实验等提供参考。 关键词：空间相机 焦面组件 结构力学分析 HyperWorks 0 引言 空间相机焦面组件集光、机、电、热于一体，是空间相机的关键组件。焦面组件通常包含 反射镜、探测器、驱动电路等重要部件，空间相机对这些部件的可靠性 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 非常高。为了适应 发射阶段和在轨阶段的严格的力学环境要求，必须对焦面组件进行相关的力学结构分析与仿真 试验，依据仿真分析结果优化焦面结构以确保相机的安全平稳运行。 本文利用 HyperWorks 软件，对某空间相机焦面组件进行模态分析、正弦响应分析和随机 响应分析。分析得到焦面的力学结构特性，验证了焦面设计的合理性，为结构设计、振动实验 等提供了参考。 1 空间相机焦面组件 某空间相机焦面组件结构如图 1 所示，主要包括挡板、焦面基座、反射镜、探测器及各自 对应的电路盒。焦面组件整体外形尺寸约为 200×200×350mm。 图 1 某空间相机焦面结构组件 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 2 - 2 焦面组件有限元模型的建立 2.1 模型前处理 为了对焦面组件进行结构分析，须对模型进行适当的简化然后进行有限元网格的划分。使 用 HyperMesh 强大的几何清理功能对导入的 CAD 模型进行几何清理，清除一些影响较小的孔、 倒角、圆角等。对薄板零件抽中面，划分二维网格。其余基座、反射镜、电路盒等部件进行体 网格划分。网格划分结果如图 2 所示，网格总数 42,1300。 图 2 焦面组件有限元分析模型 2.2 模型材料属性设置 为了满足焦面组件的高强度，轻量化以及热控等方面的性能要求，焦面组件的基座、反射 镜以及关键零部件等都要采用特定材料。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 列出了模型采用的结构材料参数。除了挡板模型 属性设为 PSHELL 外，其它零件属性均设为 PSOLID。 表 1 焦面组件结构材料参数 材料 密度 ρ（Kg/m3） 弹性模量 E (Gpa) 泊松比 μ 1 4530 99 0.36 2 2890 207 0.25 3 2700 70 0.4 4 3280 210 0.24 5 7840 205 0.29 6 40300 21 0.21 7 1000 0.0061 0.45 3 焦面组件有限元结构分析 3.1 模态分析 （1） 焦面基座模态分析 焦面基座起到支撑整个焦面组件的作用，系统对其刚度要求较高，有必要单独对其进行模 态分析，评估其刚度性能。固定基座底面的 8 个螺孔，利用 RADIOSS 求解器对焦面基座做模 态分析。分析结果如表 2、图 3 所示。 表 2 焦面基座前五阶模态 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 3 - 阶数 频率（HZ） 1 1938.6 2 2731.4 3 3312.2 4 3334.7 5 3585.5 mode1 mode2 mode3 图 3 焦面基座前三阶模态振型图 由分析结果可知，焦面基座基频达到 1938Hz，满足焦面刚度要求。 （2） 焦面组件整体模态分析（包含挡板） 对整个焦面组件模型（包含挡板）在 RADIOSS 中求解，得出焦面组件的前 5 阶模态，如 表 3、图 4 所示。 表 3 焦面组件整体模态（包含挡板）前五阶模态 阶数 频率（HZ） 1 197.1 2 280.0 3 311.2 4 450.7 5 451.5 mode1 mode2 mode3 mode4 图 4 焦面组件整体（包含挡光板）前五阶模态 根据仿真结果，由于模型中有薄板（挡光板）存在，其刚度远低于其它零件，因此组件的 低阶模态主要集中在挡光板上。四、五阶模态集中在电路板上。 （3） 焦面组件整体模态分析（不含挡板） 相比焦面其它部件，挡板刚度较小，模态频率偏低，为了更好地分析焦面组件模态，去掉 挡板，RADIOSS 求解模态结果如表 4、图 5、图 6 所示。 表 4 焦面组件整体模态（不含挡光板）模态 阶数 频率（HZ） 阶数 频率（HZ） 1 450.7 15 582.1 2 451.5 20 892.1 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 4 - 3 451.7 25 935.6 4 451.8 30 1006.8 5 465.3 35 1058.8 10 562.4 40 1175.0 mode1 mode2 mode3 mode10 图 5 焦面组件整体（不含挡板）模态振型图 图 6 mode1 对应的电路板振型 由仿真结果可知，相比焦面基座、反射镜等高硬度零件，电路板的模态频率较低，低阶模 态主要集中在电路板上，且电路板中心的元器件变形较大。由于焦面组件包含四个结构类似的 电路盒，因此焦面组件的模态间距也较小。 3.2 正弦扫频分析 约束焦面基座底面 8 个螺纹孔六个方向的自由度，如图 2 所示。采用模态叠加法，分别在 X、Y、Z 三个方向进行 1g 大小的正弦扫频仿真分析。载荷如表 5 所示。 表 5 正弦扫频载荷输入 频率范围 0-2000 Hz 振级 1g 时间 2oct/min 方向 X、Y、Z 三个方向 图 7 监测点位置 如图 7，图中的绿点为焦面组件上的 10 个关键位置点，它们作为正弦扫频的监测点。表 6 列出了监测点的详细信息。 表 6 监测点信息 序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 5 - 号 位 置 焦面 基座 固定孔 反射 镜 探测 面 3 探测面 4 探测面 3 电路板 1 探测面 3 电路板 2 探测面 4 电路板 1 探测面 4 电路板 2 探测面 1 探测面 2 点 I D 129726 0 208 8 851 1 108114 9 120412 4 122806 5 114247 1 116642 6 107556 5 108671 2 曲 线 颜 色 红 黄 绿 青 蓝 粉 黑 橙 灰 紫 HyperWorks RADIOSS 求解正弦扫频的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 如图 8 所示。 图 8 HyperWorks RADIOSS 正弦扫频分析 利用 RADIOSS 求解器，对焦面组件进行正弦扫频分析。图 9 为仿真输出的监测点的加速 度相位曲线和相应的放大倍率曲线。 SPC (constrains) (dof 约束) SPCD (excited) (dof 激励方向) TABLED 1 (TB) (频率-激励幅值) FREQ (频率采样点) EIGRL (模态叠加法) (设模态阶数) ACCELERATION (加速度输出) G-V1 结构阻尼系数 Entity Set (监测点集合) RLOAD 2 (excited TB TYPE) Loadstep (工况) analysis result Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 6 - a x 向正弦扫频输出曲线 b y 向正弦扫频输出曲线 c z 向正弦扫频输出曲线 图 9 正弦扫频监测点加速度相位曲线和放大倍率曲线 通过图 9 仿真结果可以看出焦面组件在低频处加速度放大较小，在 450Hz 基频处出现了较 大放大率，在模态频率处有明显峰值，与表 4 基本相符。反射镜稳定性强，在主振方向加速度 放大率始终接近于 1。探测面稳定性稍差，在只采取螺钉固定的情况下，探测面 4 在 Z 向主振 方向上最大加速度放大率约为 7.5 倍，如图 8 c 所示。在焦面组件中，电路板的稳定性最差， 尤其是电路板 2，探测面 3 电路板 2 在 Y 向主振方向上最大加速度放大率约为 29 倍，如图 8 b 所示。 3.3 随机响应分析 约束焦面基座底面 8 个螺纹孔六个方向的自由度，如图 2 所示。采用模态叠加法，对焦面 组件进行 X、Y、Z 三个方向的随机响应分析。载荷如表 7 所示。三个方向的监测点信息见表 6。 表 7 焦面组件随机振动条件 频率范围(Hz) 功率谱密度 10～95 +6dB/oct 95～130 1g2/Hz Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 7 - 130～200 -13dB/oct 200～600 0.16g2/Hz 600～2000 -15dB/oct 总均方根值 13.6Grms 加载方向 x、y、z HyperWorks RADIOSS 求解随机频响的方法如图 10 所示。 图 10 HyperWorks RADIOSS 随机响应分析 利用 RADIOSS 求解器，对焦面组件进行 X、Y、Z 三个方向的随机响应分析。图 10 为仿 真输出监测点的加速度功率谱密度输出曲线。 a x 向随机响应 SPC (constrains) (dof 约束) SPCD (excited) (dof 激励方向) TABLED 1 (TB) (频率-激励幅值) FREQ(频率采样点) EIGRL (模态叠加法) (设模态阶数) G-V1 结构阻尼系数 RLOAD 2 (excited TB TYPE) Loadstep (工况) analysis result (.peak 文件 rms 值) TABRND 1(频率-PSD) RANDPS(PSD 定义) XYPLOT (acce, psdf / point(dof)) (监测点加速度功率谱密度输出) Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 8 - a y 向随机响应 a z 向随机响应 图 11 随机频响监测点加速度功率谱密度输出曲线 提取仿真生成的.peak 文件中的加速度功率谱密度的总均方根值，得到监测点的总均方根 值放大率，如表 8 所示。由图 11 和表 8 的仿真结果：探测面 1 和 3、探测面 2 和 4、探测面 3 的两个电路板、探测面 4 的两个电路板的功率谱谱密度曲线走势基本重合，总均方根值放大率 也非常接近，说明材料相同结构类似的零件的随机响应基本一致。纵向比较图 11 a、b、c，反 射镜、探测面、电路板的稳定性逐渐变差。 表 8 随机响应功率谱密度总均方根值放大率 点序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 监测 位置 焦面 基座 螺孔 反射 镜 2 镜面 中心 CCD3 中心 CCD4 中心 CCD3 驱动 电路板 中心 芯片 CCD3 时序 电路板 中心 芯片 CCD4 驱动 电路板 中心 芯片 CCD4 时序 电路板 中心 芯片 CCD1 中心 CCD2 中心 主振 方向 Grms 放大率 X 1.0 1.1 1.1 1.2 3.5 3.5 2.5 2.4 1.1 1.2 Y 1.0 1.5 9.9 1.9 3.6 4.3 2.6 2.7 8.1 2.0 Z 1.0 1 1.1 3.1 1.6 1.5 3.6 4.1 1.0 4.5 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 9 - 4 结论 本文利用 HyperWorks HyperMesh 对某空间相机焦面组件进行了结构前处理，利用 RADIOSS 求解器进行了模态分析、正弦扫频以及随机响应分析，最后用 HyperView 进行结果 后处理。焦面基座的基频为 1938Hz，整个焦面组件（不含挡光板）的基频为 450Hz，满足设 计要求。正弦扫频时 400Hz 低频以内没有明显的加速度放大，扫频曲线在模态频率处有明显峰 值。随机响应仿真结果表明反射镜、探测面、电路板的稳定性逐渐变差，功率谱敏度总均方根 值放大率满足要求范围。本文的仿真分析结果可为空间相机焦面组件的研发设计、力学分析以 及振动实验等提供参考。 5 参 考 文 献 [1] 陈世平. 空间相机设计与试验. 宇航出版社,2003 [2] 张胜兰 郑冬黎 等. 基于 HyperWorks的结构优化设计技术. 机械工业出版社,2007 [3] 李楚琳 张胜兰 等. HyperWorks分析应用实例. 机械工业出版社,2008 [4] 于开平 周传月 等. Hyper Mesh从入门到精通. 科学出版社，2005 [5] 杜平安 等. 有限元法——原理、建模及应用. 计算机仿真,2008，25(12),77-80 Structure Mechanical Analysis forFocal Plane Assembly of a Space Camera by HyperWorks Chang Junlei Lei Wenping Abstract：Structure analysis by software HyperWorks is proposed in the case of focal plane assembly of a space camera. HyperMesh is used to process finite element modal before analysis. Mode analysis, sine frequency response and random frequency response are simulated with RADIOSS solver. And the analysis result data are dealt with HyperView. The simulation result could provide reference data for research, design, and vibration experiment for space cameras. Key words: Space Camera Focal Plane Assembly Structure Mechanical Analysis HyperWorks