1 引言

         相機主體由鏡頭與焦面盒組成，其中鏡頭內有光學等敏感元件，而焦面盒組件集光、機、電、 熱于一體，為相機關鍵組件之一。在設計初期階段，為了驗證所設計結構的合理性，需對其進行靜 力學分析以及固有振動分析[1]。

         本文在 SolidWorks 提供三維模型基礎上，利用HyperMesh對裝配體建立有限元模型，對其進 行了靜力分析和模態分析。驗證了結構設計的合理性，并為后續空間力學環境試驗提供參考。

        2 空間相機結構

         某 空間相 機結 構如 圖 1 所 示，包 括鏡 頭、焦 面盒 以及電 路板 組件。 整體 外包絡 尺寸 為191X110X143(mm)。

圖 1 某空間相機結構圖

3 有限元模型建立

3.1 幾何清理

         此相機結構模型采用SolidWorks建立， 采用HyperWorks對其進行有限元分析之前，需將原裝 配體格式轉換為IGES格式，再導入至HyperMesh。原模型含有很多細節特征，如倒圓、小孔，以 及電路板上的很多小插件。如果要準確模擬這些特征，需要用到很多小單元，導致求解時間延長。 而對于設計初始階段，有限元分析只需要簡化的幾何模型，因此需要對這些細節信息進行簡化，以 便于網格劃分和分析。此外，模型的一些幾何信息在導入時可能會出錯，如導入曲面數據時可能會 存在縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷，導致單元質量不高，求解精度差[2]。清理后的模型如圖 2 所示。

圖 2 幾何清理后的模型

3.2 網格劃分

          由于該結構模型比較規則，尺寸不大，相機各部件均采用正六面體為主的實體單元建模。為了 簡化，鏡頭與焦面盒之間的聯接采用重節點方式。鏡頭內部結構的變形不是我們關注重點，采用 PMASS 質點單元代替內部結構，并用 RIGID 單元使質點單元與鏡頭成為一個整體。有限元模型如 圖 3，信息如表 1。

圖 3 相機各零部件有限元模型

3.3 材料和屬性

        相機結構中各零部件所用材料及屬性如表 2

4 靜力分析

強度是結構件正常工作必須滿足的基本條件。本例中，由于鏡頭為懸臂結構，在重力載荷作用 下，會發生微小變形。為了驗證所設計結構的合理性，對整體結構進行了靜力分析。

4.1 邊界和載荷條件

根據實際情況，完全約束箱體底板四個聯接孔的六個方向自由度，并沿著模型 Y 軸負向加載 1g
的慣性載荷。

4.2 計算結果

所得位移云圖如圖 4 所示，由靜力分析結果可以看出，結構的最大變形為 4.41X10-7m，主要 集中在遠離鏡頭的一塊電路板框架上。

圖 4 相機組件位移變形云圖

5 模態分析

         模態分析是最基本最重要的結構動態分析，為相機研制過程中的重要組成部分。為了了解結構 動態特性，必須認識結構的基本模態。模態分析結果表示了結構固有動力學特性，并為后續動力分 析（如瞬態響應分析、頻率響應分析、響應譜分析等）提供了依據。模態分析所得到的固有頻率和 振型可驗證結構設計的合理性，有效地改進設計，并為相機后續的力學環境試驗提供理論數據基礎。
對相機整體進行模態分析結果如表 3、圖 5 所示。

圖 5 相機整體前六階模態

由表 3 可以看出，相機的整體基頻比較小。同時，經過初始方案設計，發現電路板厚度較薄， 整體剛度不足，造成電路板響應過大。根據有限元分析結果，對電路板組件進行優化設計。在電路 板支架之間增加了 20X4X20(mm)的加強筋，并對其進行有限元分析，修改之后的有限元模型結果如 圖 6 所示。

圖 6 優化后電路板組件

優化后的有限元模型靜力變形最大值為 2.54X10-7m。 優化后的整體模態如表 4

7 結論

        本文利用了 HyperMesh 強大的前處理功能，建立某空間相機組件結構有限元模型，并利用

       OptiStruct 對模型進行靜力學分析以及模態分析，極大的縮短了概念設計階段產品研制的周期。

         根據分析結果，對原有電路板組件結構進行優化設計。優化之后，最大靜力變形從4.41X10-7m 到 2.54X10-7m，減小了 42.4%?；l從 553HZ 到 620HZ，提高了12.1%，并使電路板組件的擺 動問題得到了有效解決，滿足了總體要求。本文仿真分析結果可為空間相機的研發、力學試驗提供 參考。

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