簡介

 

此篇文章為本系列的第 3 部分，我們將介紹如何把光機械結構模型從 OpticsBuilder 導出到 Ansys SpaceClaim。然后，我們將演示如何在 Ansys Mechanical 中為有限元分析 (Finite Element Analysis) 準備模型，并分析生成的 FEA 結果。（聯(lián)系我們獲取文章附件）

 

在 Ansys Mechanical 中為 FEA 做準備

 

在 OpticsBuilder 中完成光機械結構設計后，現(xiàn)在可以將完整的立方體衛(wèi)星模型導入 Ansys 軟件，為有限元分析做準備。首先，將幾何結構以 STEP 文件格式從 Creo 導出到 3D 建模軟件 Ansys SpaceClaim。在 SpaceClaim 中，為了降低復雜性，簡化了模型的幾何形狀。

 

在降低模型幾何結構的復雜性后，將設計引入 Ansys Mechanical，為有限元分析做準備。

 

對于結構分析，只需使用組件的核心部分。為了簡化分析模型，移除了立方體衛(wèi)星的側板和彈簧螺栓等小部件。結果如下圖所示：

 

圖 1：Ansys Mechanical 中的簡化模型

 

在 Ansys Mechanical 中按照以下設置來為設計定義材料：

· 兩個反射鏡均由低 CTE 鋁基板 (Al-MS40Si)2 制成

· 主框架由碳纖維增強的聚合物制成

· 計量桿由殷鋼制成

· 圖像傳感器假設是由 PCB 板制成

 

請注意，這些材料的選擇只是作為案例演示，而不基于任何實際指標的考慮。

 

下圖展示了這些材料在設計中的裝配位置：

 

圖 2：Ansys材料定義

 

設置機械連接方式和生成網(wǎng)格

 

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

 

圖 3：“No Separation” 連接

 

反射鏡固定裝置與四個殷鋼計量桿相連。殷鋼計量桿固定在結構兩端的立方體衛(wèi)星框架中，并允許裝置滑動：

 

圖 4：殷鋼桿

 

框架本身通過粘合連接：

 

圖5：粘合連接

 

在定義機械連接方式后，現(xiàn)在可以稍微調整 Ansys 創(chuàng)建的網(wǎng)格，以滿足我們的仿真需求，因為默認網(wǎng)格設置可能在某些區(qū)域的質量不佳，我們需要對其進行適應調整。調整兩個反射鏡的網(wǎng)格尺寸，使每個像面至少達到 10000 個節(jié)點。這樣才能在 OpticStudio STAR 模塊中獲得良好的擬合質量。下圖展示了用于光機結構和反射鏡的最終網(wǎng)格。

 

圖6：Ansys Mechanical 中的網(wǎng)格

 

圖7：次級反射鏡網(wǎng)格

 

載荷與邊界條件 

 

對于此設計，唯一存在的載荷是一種熱條件，它導致了元件根據(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)星在近地軌道運行期間將經(jīng)歷的工作溫度范圍。假設立方體衛(wèi)星的輻射控制系統(tǒng)將使光學器件免受溫度大幅波動的影響，那么這將光學器件的工作溫度范圍將會限制在 15°C ± 3°C 范圍內。

 

假設在 OpticStudio 中建立的名義設計是在 21°C 室溫環(huán)境中建立的，這是定義幾何結構通常的參考溫度。

 

在 Ansys Mechanical 中實施模擬的溫度如下： 

 

圖8：溫度定義

 

在結構分析中，裝配體需要保持固定。對于光學分析來說，使用弱彈簧將導致模擬不夠精確。因此，整個組件是通過 Remote Displacements 組合來固定的。傳感器平面的移動將受到限制，因為傳感器作為像平面并且 OpticStudio 中無法對像面施加變形效果。旋轉在前框架處受到限制，因此不會把傳感器的彎曲當做是整個裝配體的旋轉。

 

圖9：Remote Displacements

 

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大氣壓的影響。在真空中，沒有壓強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形變有顯著影響，我們進行了另外兩項有限元分析。

 

壓差分析顯示，反射鏡的形變小于 180 納米。

 

對重力影響的分析結果顯示，如果組件僅由框架的一側支撐，那么反射鏡的固定裝置就會產生較大的變形，導致反射鏡相對于其原始位置移動了 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額外的支撐幫助承擔反射鏡的重量。通過這種設定，反射鏡的形變小于 20 納米。

 

由于我們預計熱膨脹引起的形變在 10 微米范圍內，而壓強和重力的影響相對來說要小好幾個量級，因此在主要的有限元分析中忽略了壓強和重力的影響。

 

在 Ansys Mechanical 中的 FEA 結果

 

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

 

圖10：Ansys Mechanical 形變數(shù)據(jù)

 

如果在模型中隱藏反射鏡，則可以看到框架變形效果：

 

圖11：框架變形

 

還可以查看形變的 Z 方向分量，結果如下：

 

圖 12：Z分量形變

 

完成有限元分析后，現(xiàn)在可以導出所有工作溫度下兩個鏡面的結構變形數(shù)據(jù)。借助 Ansys ACT 擴展程序可以將這些數(shù)據(jù)導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)導入 OpticStudio STAR 模塊進行進一步分析所需的全部內容。

 

結論

 

在本文中，我們介紹了如何將完成的 CubeSat 設計導入 Ansys SpaceClaim，為有限元分析做準備。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 結果，以及如何將這些數(shù)據(jù)直接導入 OpticStudio STAR 模塊。

 

參考文獻

 

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.