簡(jiǎn)介

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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）

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在 Ansys Mechanical 中為 FEA 做準(zhǔn)備

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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。

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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。

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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

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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

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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。

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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

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設(shè)置機(jī)械連接方式和生成網(wǎng)格

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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

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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

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框架本身通過粘合連接：

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圖5：粘合連接

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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

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載荷與邊界條件?

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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)。

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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。

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在 Ansys Mechanical 中實(shí)施模擬的溫度如下：?

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圖8：溫度定義

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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

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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。

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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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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。

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在 Ansys Mechanical 中的 FEA 結(jié)果

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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。

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圖10：Ansys Mechanical 形變數(shù)據(jù)

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如果在模型中隱藏反射鏡，則可以看到框架變形效果：

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圖11：框架變形

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還可以查看形變的 Z 方向分量，結(jié)果如下：

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圖 12：Z分量形變

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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。

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結(jié)論

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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。

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參考文獻(xiàn)

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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.