簡(jiǎn)介 _3wK: T{: pR=R{=}wV 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。
（聯(lián)系我們獲取文章附件） 1ah,Zth2 O@W/s!&lFa 在 Ansys Mechanical 中為 FEA 做準(zhǔn)備 6#K. n&=* "UhE'\() 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。
S~ S>62 xfC$u`e= 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。
T5e#Ll/ 2G!z/OAj 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：
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圖 1：Ansys Mechanical 中的簡(jiǎn)化模型
G %\/[
B B]}gfVO 在 Ansys Mechanical 中按照以下設(shè)置來為設(shè)計(jì)定義
材料：
E_[a|N"D · 兩個(gè)反射鏡均由低 CTE 鋁基板 (Al-MS40Si)2 制成
/-m ) · 主框架由碳纖維增強(qiáng)的聚合物制成
M"{*))O\-c · 計(jì)量桿由殷鋼制成
@JLN3 · 圖像
傳感器假設(shè)是由 PCB 板制成
"Ms{c=XPK <exyd6iI 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。
iC^91!< |8[!`T*s 下圖展示了這些材料在設(shè)計(jì)中的裝配位置：
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圖 2：Ansys材料定義
w^ofH-R/ 4}cxSl]jf! 設(shè)置機(jī)械連接方式和生成網(wǎng)格 Y8IC4:EO $UK m[:7 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。
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圖 3：“No Separation” 連接
3XQe? 2:< -e_TJ A 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)：
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圖 4：殷鋼桿
x>BFK@# }Y!s :w# 框架本身通過粘合連接：
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圖5：粘合連接
8\:>;XG6f ?[>Y@we 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。
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圖6：Ansys Mechanical 中的網(wǎng)格
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圖7：次級(jí)反射鏡網(wǎng)格
8 9{ ;R u;1[_ ~ 載荷與邊界條件 !
9*l!( be]/ ROP>H 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)。
i[FYR;C GE =S.P; 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。
vkR ~nIp On!+7 is' 在 Ansys Mechanical 中實(shí)施模擬的溫度如下：
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圖8：溫度定義
J.U%W}Hx g+QIhur 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)。
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圖9：Remote Displacements
Ly n{Uag *14:^neoI 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。
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壓差分析顯示，反射鏡的形變小于 180
納米。
B~qo^ppVU C\ Yf]J 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。
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