本文原刊登于Ansys Blog：《From Concept to CubeSat Part 3: Using Ansys Mechanical to Generate Finite Element Analysis Results》

作者：Jordan Teich | Ansys應(yīng)用工程師

編輯整理：谷晨風(fēng) | Ansys高級(jí)應(yīng)用工程師

在航空航天行業(yè)中，立方體衛(wèi)星已成為一種適用于太空光學(xué)系統(tǒng)的低成本、易于制造的解決方案。本系列博客介紹了如何使用Ansys Zemax軟件將立方體衛(wèi)星從最初的光學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈾C(jī)封裝，以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)-熱-光學(xué)性能（STOP）分析。

對(duì)于光機(jī)有效載荷，必須考慮其將在軌道上?受到的?應(yīng)力和熱影響。?利用Ansys Mechanical，用戶可以?通過(guò)有限元分析（FEA）來(lái)分析這些影響。?在FEA?階段之前，可使用Mechanical對(duì)光機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并為分析定義邊界條件。完成FEA后，Mechanical中的“Export to STAR”擴(kuò)展提供了一個(gè)簡(jiǎn)化的流程，用于準(zhǔn)備與Ansys OpticStudio STAR模塊一起使用的數(shù)據(jù)。

如?希望了解整個(gè)工作流程，可從本系列博客的第?一部分開始：使用Ansys Zemax開發(fā)立方體衛(wèi)星系統(tǒng)。

在本系列博客的第?二部分中，使用OpticsBuilder在PTC Creo中完成了光機(jī)設(shè)計(jì)。接下來(lái)，將完成的設(shè)計(jì)導(dǎo)出為STEP文件。在Mechanical中，打開STEP文件并為FEA做好準(zhǔn)備。在本示例中，為設(shè)計(jì)定義了以下材料?選項(xiàng)：

• 兩個(gè)反射鏡均由低熱膨脹系數(shù)（CTE）鋁基板制成（Al-MS40Si）2。

• 主框架由碳纖維增強(qiáng)聚合物制成。

• 計(jì)量桿由殷瓦合金制成。

• 假定圖像傳感器由印刷電路板（PCB）層壓材料制成。

材料定義

將材料?選項(xiàng)?賦予模型后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格由包含節(jié)點(diǎn)（表示幾何結(jié)構(gòu)形狀）的單元組成。對(duì)于網(wǎng)格，需要注意的是，兩個(gè)鏡面的單元尺寸已進(jìn)行調(diào)整，使每個(gè)鏡面至少包含10,000個(gè)節(jié)點(diǎn)。將FEA數(shù)據(jù)?導(dǎo)入OpticStudio STAR模塊以供將來(lái)分析?時(shí)，大量節(jié)點(diǎn)可確保良好的擬合?精度。下圖顯示了用于光機(jī)模型的最終網(wǎng)格。

在Ansys Mechanical中定義的網(wǎng)格

在本示例中，考慮的唯一載荷是熱條件，該條件?會(huì)使所有組件根據(jù)其熱膨脹系數(shù)（CTE）進(jìn)行膨脹。假定立方體衛(wèi)星的輻射控制系統(tǒng)將使光學(xué)元件免受溫度大幅波動(dòng)的影響。選擇12°C、15°C和18°C的離散溫度來(lái)代表立方體衛(wèi)星在近地軌道（LEO）上的工作溫度范圍。

OpticStudio中的標(biāo)稱設(shè)計(jì)假定是在21°C的室溫環(huán)境中構(gòu)建的，這是定義幾何結(jié)構(gòu)時(shí)的參考溫度。

Mechanical中實(shí)施的溫度如下所示：

在對(duì)光機(jī)械模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并確定熱載荷后，在Mechanical中進(jìn)行FEA。下圖展示了最低工作溫度（12°C）下的結(jié)構(gòu)變形影響。

結(jié)構(gòu)變形結(jié)果

由于此有效載荷由兩個(gè)反射鏡組成，因此只求解了結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)。如果將任何折射組件集成到系統(tǒng)中，則有必要求解整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的?受熱引起的折射率變化。結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)和?折射率數(shù)據(jù)都可以導(dǎo)出到OpticStudio STAR模塊，用于分析它們對(duì)系統(tǒng)級(jí)性能的影響。

完成FEA后，下一步是將兩個(gè)反射鏡的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)導(dǎo)入OpticStudio STAR模塊。?利用Mechanical Export to STAR ACT擴(kuò)展，?就可以輕松地將結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)導(dǎo)出為STAR使用的文本文件格式。如?希望了解有關(guān)此擴(kuò)展的更多信息，請(qǐng)閱讀Ansys Zemax網(wǎng)站知識(shí)庫(kù)?的文章。