基于ANSYS磁强计底板结构有限元分析

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1、基于ANSYS磁强计底板结构有限元分析李岩王劲东（中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190）摘要：本文通过有限元方法，对磁强计底板进行了有限元建模和静态分析，在已有CAD图纸的基础上，采用ANSYS软件中的实体单元模拟底板框架，对底板连接条件和约束条件均进行了合理简化，从而建立了磁强计底板有限元模型，并对底板进行了有限元静态分析，得到了底板在受力变形时的应力分布及变形情况，该结构系统分析结果可为航天仪器的结构设计提供较好的参考借鉴作用。关键词：有限元ANSYS磁强计底板静态分析1.课题背景磁强计，即测定航天器所在处地磁场矢量在本体系中分量的矢量型磁敏感器。由于磁强计主要应用于空

2、间磁场的探测，为保证测量精度，必须暴露在卫星舱外，应用环境极为恶劣，所以其设计思路与普通产品的设计大不相同。在结构设计时必须采用一系列的措施，尽量避免或减小由于高低温、振动冲击、电磁干扰等不利的环境因素对其性能造成的影响。其中磁强计探头固定于底板上，这就要求底板在设计加工时要有较高精度，确保磁强计的工作准确性。磁强计底板的设计不仅要考虑其设计尺寸、产品重量、加工工艺，更应考虑由于其不利的工作环境而带来的影响，其中可能包括震动载荷、温度变化而产生的热应力、集中应力，而这些都可能导致磁强计不能正常工作或准确测量。所以在进行磁强计底板的设计时，模拟其约束条件、受力情况非常重要，这对于减短生产

3、周期，优化设计意义重大。2.磁强计底板简述该磁强计底板的结构示意图如图2-1所示，其中灰色部分代表磁强计底板及支架，红色部分为安装在支架上的三个探头。该底板由硬铝材料制成，且板厚度较薄，尺寸较小，在加工过程中易产生加工应力，其在使用过程中主要承受冲击载荷的作用，可能导致底板的变形甚至破坏，从而影响其正常工作，所以对底板进行模拟受力分析尤为重要。图2-1磁强计底板结构示意图3283.磁强计底板的分析思路底板上的4个安装孔用于固定，上面安装的3个探头(为方便说明，采用序号表示，在结构示意图中，最近处的为一号探头，中间的为二号探头，最远处的为三号探头)，重量大概是每个35克，计算分析在40个

4、G的振动冲击下的底板变形情况。由于冲击载荷及传感器的重力是通过板的安装部位传递给板的，模拟方法采用有限元分析方法，模拟过程是把约束加在底板的4个安装孔上，将40个G冲击作用的载荷及传感器自身重力均布在9个安装孔上，分别对X、Y、Z三个受力方向进行模拟静态分析。由于底板上的半圆形部件在受力情况下对底板及支架的变形及应力分布情况非常小，所以在模拟分析过程中忽略不计。4．底板的有限元分析法4.1有限元分析综述有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。有限元方法的基本思路是：“化整为零，积零为整”。它的求解步骤是：将某一整体的结构看成由若干个单个的结构元件，即“有

5、限元”或“单元”构成的物理组成体，这些单元在有限个连接点，通过选用适当的形函数，对各单元作力学分析，建立单元本身节点位移与相应的节点力之间的关系，然后按照各单元在节点上的力平衡条件或变形协调条件，把单元组装成原整体结构，由此列出作为未知量的节点力或节点位移的方程组。求解该方程组，得到问题的解。从使用有限元程序的角度讲，有限单元法分析又可分成三大步，如图4-1所示。前处理求解后处理图4-1有限元程序分析的三个步骤前处理实际上是对计算对象划分网格、形成计算模型的过程，包括单元类型的选择、节点和单元网格的确定、约束载荷的移置等。求解则是在形成总刚度方程并进行约束处理后求解大型联立线性方程组、

6、最终得到节点位移的过程，解方程组的方法有很多种，通用软件根据自身特点选用一、两种方法。后处理则是对计算结果的处理和数据的输出，包括各种应力、位移或振型的整理，形成等应力线、变形图、振型图等。有限元分析中的主要步骤有研究分析结构特点、形成有限元计算模型、选择有限元软件或编制计算程序、上机试算、计算模型准确性判别、修改计算模型或修改程序、正式计算以及计算结果整理、结构设计方案的判别，其分析过程及相互关系如图4-2所示。329研究分析结构特形成计算机模型选择软件或编制程计算修改计算模型否计算模型修改或自编的程序准确性判断设计方案是正式计算否设计方案合理性判断是输出最终设计方案图4-2有限元分

7、析方法的一般流程4.2ANSYS软件的选用鉴于ANSYS具有以下的功能，使其在有限元分析中优于其他有限元分析软件，成为磁强计底板结构有限元分析的最理想软件：（1）软件的功能：ANSYS的功能是目前所有有限元分析软件中最全面和强大的，它不仅可以进行断裂力学分析、复合材料分析、疲劳及寿命估算分析、超弹性材料的分析、压电分析、热分析、稳态温度场分析、瞬态温度场分析、相变分析、辐射分析，而且还可以进行热——结构耦合分析、电——磁——热——结构耦合分析及