簡(jiǎn)介

此篇文章為本系列的第 3 部分，我們將介紹如何把光機(jī)械結(jié)構(gòu)模型從 OpticsBuilder 導(dǎo)出到 Ansys SpaceClaim。然后，我們將演示如何在 Ansys Mechanical 中為有限元分析 (Finite Element Analysis) 準(zhǔn)備模型，并分析生成的 FEA 結(jié)果。

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在 Ansys Mechanical 中為 FEA 做準(zhǔn)備

在 OpticsBuilder 中完成光機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，現(xiàn)在可以將完整的立方體衛(wèi)星模型導(dǎo)入 Ansys 軟件，為有限元分析做準(zhǔn)備。首先，將幾何結(jié)構(gòu)以 STEP 文件格式從 Creo 導(dǎo)出到 3D 建模軟件 Ansys SpaceClaim。在 SpaceClaim 中，為了降低復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了模型的幾何形狀。

在降低模型幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性后，將設(shè)計(jì)引入 Ansys Mechanical，為有限元分析做準(zhǔn)備。

對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，只需使用組件的核心部分。為了簡(jiǎn)化分析模型，移除了立方體衛(wèi)星的側(cè)板和彈簧螺栓等小部件。結(jié)果如下圖所示：

在 Ansys Mechanical 中按照以下設(shè)置來為設(shè)計(jì)定義材料：

·兩個(gè)反射鏡均由低 CTE 鋁基板 (Al-MS40Si)2 制成

·主框架由碳纖維增強(qiáng)的聚合物制成

·計(jì)量桿由殷鋼制成

·圖像傳感器假設(shè)是由 PCB 板制成

請(qǐng)注意，這些材料的選擇只是作為案例演示，而不基于任何實(shí)際指標(biāo)的考慮。

下圖展示了這些材料在設(shè)計(jì)中的裝配位置：

設(shè)置機(jī)械連接方式和生成網(wǎng)格

指定材料以后，就可以在模型中設(shè)定連接方式。每個(gè)反射鏡通過彈簧螺栓和固定擋塊的組合來安裝固定。彈簧螺栓會(huì)擠壓反射鏡使其與另一側(cè)的固定擋塊保持接觸。每個(gè)反射鏡使用 3 個(gè)這樣的設(shè)置來限制 3 個(gè)維度的移動(dòng)。這種方式由 Ansys Mechanical 中的 3 個(gè) “No Separation” 連接表示，而不需要對(duì)彈簧螺栓單獨(dú)建模。

反射鏡固定裝置與四個(gè)殷鋼計(jì)量桿相連。殷鋼計(jì)量桿固定在結(jié)構(gòu)兩端的立方體衛(wèi)星框架中，并允許裝置滑動(dòng)：

框架本身通過粘合連接：

在定義機(jī)械連接方式后，現(xiàn)在可以稍微調(diào)整 Ansys 創(chuàng)建的網(wǎng)格，以滿足我們的仿真需求，因?yàn)槟J(rèn)網(wǎng)格設(shè)置可能在某些區(qū)域的質(zhì)量不佳，我們需要對(duì)其進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整。調(diào)整兩個(gè)反射鏡的網(wǎng)格尺寸，使每個(gè)像面至少達(dá)到 10000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣才能在 OpticStudio STAR 模塊中獲得良好的擬合質(zhì)量。下圖展示了用于光機(jī)結(jié)構(gòu)和反射鏡的最終網(wǎng)格。

載荷與邊界條件

對(duì)于此設(shè)計(jì)，唯一存在的載荷是一種熱條件，它導(dǎo)致了元件根據(jù)其熱膨脹系數(shù) (TCE) 膨脹，并且選擇離散溫度條件來近似模擬立方體衛(wèi)星在近地軌道運(yùn)行期間將經(jīng)歷的工作溫度范圍。假設(shè)立方體衛(wèi)星的輻射控制系統(tǒng)將使光學(xué)器件免受溫度大幅波動(dòng)的影響，那么這將光學(xué)器件的工作溫度范圍將會(huì)限制在 15°C ± 3°C 范圍內(nèi)。

假設(shè)在 OpticStudio 中建立的名義設(shè)計(jì)是在 21°C 室溫環(huán)境中建立的，這是定義幾何結(jié)構(gòu)通常的參考溫度。

在 Ansys Mechanical 中實(shí)施模擬的溫度如下：

在結(jié)構(gòu)分析中，裝配體需要保持固定。對(duì)于光學(xué)分析來說，使用弱彈簧將導(dǎo)致模擬不夠精確。因此，整個(gè)組件是通過 Remote Displacements 組合來固定的。傳感器平面的移動(dòng)將受到限制，因?yàn)閭鞲衅髯鳛橄衿矫娌⑶?OpticStudio 中無(wú)法對(duì)像面施加變形效果。旋轉(zhuǎn)在前框架處受到限制，因此不會(huì)把傳感器的彎曲當(dāng)做是整個(gè)裝配體的旋轉(zhuǎn)。

由于立方體衛(wèi)星是在地球上組裝的，因此與在軌狀態(tài)相比，載荷存在差異。在組裝過程中，立方體衛(wèi)星受到地球引力和大約一個(gè)大氣壓的影響。在真空中，沒有壓強(qiáng)和加速度載荷作用在組件上。為了檢查這些載荷差異是否對(duì)形變有顯著影響，我們進(jìn)行了另外兩項(xiàng)有限元分析。

壓差分析顯示，反射鏡的形變小于 180 納米。

對(duì)重力影響的分析結(jié)果顯示，如果組件僅由框架的一側(cè)支撐，那么反射鏡的固定裝置就會(huì)產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致反射鏡相對(duì)于其原始位置移動(dòng)了 8 微米以上。因此，在分析中在反射鏡固定裝置的底部增加一個(gè)額外的支撐幫助承擔(dān)反射鏡的重量。通過這種設(shè)定，反射鏡的形變小于 20 納米。

由于我們預(yù)計(jì)熱膨脹引起的形變?cè)?10 微米范圍內(nèi)，而壓強(qiáng)和重力的影響相對(duì)來說要小好幾個(gè)量級(jí)，因此在主要的有限元分析中忽略了壓強(qiáng)和重力的影響。

在 Ansys Mechanical 中的 FEA 結(jié)果

完成準(zhǔn)備工作后，現(xiàn)在可以在 Ansys Mechanical 中運(yùn)行 FEA 分析。下圖顯示了最低工作溫度 12°C 的結(jié)果，主要的形變是由鋁基板的高 CTE 導(dǎo)致反射鏡收縮引起的。

如果在模型中隱藏反射鏡，則可以看到框架變形效果：

還可以查看形變的Z方向分量，結(jié)果如下：

完成有限元分析后，現(xiàn)在可以導(dǎo)出所有工作溫度下兩個(gè)鏡面的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)。借助 Ansys ACT 擴(kuò)展程序可以將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出到一系列文本文件中。這些文本文件包含了將 FEA 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 OpticStudio STAR 模塊進(jìn)行進(jìn)一步分析所需的全部?jī)?nèi)容。

結(jié)論

在本文中，我們介紹了如何將完成的 CubeSat 設(shè)計(jì)導(dǎo)入 Ansys SpaceClaim，為有限元分析做準(zhǔn)備。然后，我們分析了 FEA 所考慮的載荷和邊界條件。最后，我們展示了 Ansys Mechanical 中的 FEA 結(jié)果，以及如何將這些數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入 OpticStudio STAR 模塊。

參考文獻(xiàn)

1.Jin H, Lim J, Kim Y, Kim S. Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat. J Opt Soc Korea. 2013;17(6):533-537. doi:10.3807/josk.2013.17.6.533

2.Aluminum Alloys. AMT Advanced Materials Technology; 2022:1-2. https://www.amt-advanced-materials-technology.com/materials/aluminum-for-optics-electronics/. Accessed June 14, 2022.