空间ccd相机动力学环境模拟研究

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1、第２４卷第４期四川理工学院学报（自然科学版）Ｖｏｌ２４Ｎｏ４２０１１年８月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ａｕｇ２０１１文章编号：１６７３１５４９（２０１１）０４０４８００

2、３空间ＣＣＤ相机动力学环境模拟研究１２耿麒先，李卓（１．北华大学机械工程学院，吉林１３２０２１；２．北华大学计算机科学技术学院，吉林１３２０２１）摘要：为了改进空间ＣＣＤ相机的结构设计性能，应用ＣＡＥ技术对空间ＣＣＤ相机进行模态分析、频率响应分析等动力学特性研究。分析计算表明空间ＣＣＤ相机的自然频率足够高，一阶模态达到１８０Ｈｚ以上，保证了空间ＣＣＤ相机在外界动态载荷低频振动作用下的动力学响应。有限元分析结果为空间ＣＣＤ相机的结构设计提供了必要的指导。关键词：ＣＡＥ；有限元法；空间ＣＣＤ相机；动力学响应；动态特性中图分类号：Ｖ５５６．５

3、；Ｖ４１４．４文献标识码：Ａ引言［１］空间光学遥感器是伴随着人造卫星的发展而发展起来的，自２０世纪７０年代以来，空间ＣＣＤ相机技术得到了长足发展并日益成熟。为了确保空间ＣＣＤ相机在空间环境下能长寿命高可靠工作，保持良好的光学性图１相机光机结构三维模型示意图［２３］能，必须设计出能够承受苛刻发射动力学环境的相表１空间光学遥感器常用典型结构材料性能机结构。相机力学特性的好坏及设计合理性，除了要对密度ρ弹性模量线胀系数材料名称牌号相机的精心设计和制造装调外，进行充分的ＣＡＥ分析研３Ｅ（ＭＰａ）（１０－６／℃）（ｔｏｎ／ｍｍ）［４］究和力学环

4、境试验是不可少的。通过有限元分析可铝合金ＬＣ９２８Ｅ－９７１０００２３６在设计方案阶段预先估价方案的可行性，提供科学合理钛合金ＴＣ４４４４Ｅ－９１０９０００９１碳纤维复Ｔ３００Ｂ１８Ｅ－９９５０００（纵向）０～１的设计参考，并可有效地指导力学环境试验。合材料３１０００（横向）（铺层工艺确定）１有限元模型的建立１．３有限元模型１．１光机结构方案选用八节点六面体单元和壳单元对相机的光机结构进行离散化处理。前遮光罩上的消杂光环及２ｍｍ厚空间ＣＣＤ相机光机结构方案如图１所示，该相机结的罩体采用壳单元，前镜筒及中镜筒上的纵向筋也采用构方

5、案特点为：外形呈筒状结构；透射式镜头由八片材壳单元，其余部分全部采用体单元。有限元模型如图２料分别为ＴＦ３、ＺＫ８和Ｋ９的三组光学元件组成，光学元所示，模型的Ｘ轴为镜头的光轴方向，模型包含单元４件共轴安装；ＣＣＤ作为感光元件。为便于光学元件的安０１７个，节点５４３２个。由于镜头安装用法兰盘处单元装与调试，将镜头分为三段：前镜筒、中镜筒和后镜筒。为八节点六面体单元，故对法兰盘八个紧固螺钉所在位各镜筒间采用法兰联接，前遮光罩与镜头之间通过过渡置的节点施加Ｘ、Ｙ、Ｚ三向约束即可。环螺纹联接。相机通过位于中部前镜筒上的法兰安装到基础上。２工程分

6、析１．２材料属性在空间ＣＣＤ相机的研制过程中，为了验证结构是否表１所示为相机有关零件的材料参数。收稿日期：２０１１０６２７作者简介：耿麒先（１９７４），男，河南孟县人，讲师，博士，主要从事空间光学机械的ＣＡＥ研究及其优化设计方面的研究。第２４卷第４期耿麒先等：空间ＣＣＤ相机动力学环境模拟研究４８１图３相机第一阶模态图图２相机三维有限元模型示意图符合稳定性要求，通常要对其结构进行整机综合特性分析，即静力学分析、动力学分析和热特性分析等，验证其结构设计是否合理、是否满足光学设计的要求。运用有限元法对空间ＣＣＤ相机光机系统进行整机综合特

7、性分析，能为总体方案设计、整机构型选择、结构与机构优化等工作提供指导。同时，还可以提高航天器总体设计水图４相机第三阶模态图平、缩短研制周期。２．１模态分析［５］模态分析用于分析计算结构的固有频率和固有振型，由弹性力学有限元法，可得到无阻尼自由振动的运动方程为：[Ｍ]{ｘ珋}＋[Ｋ]{ｘ}＝０，式中[Ｍ]为结构图５相机第五阶模态图的质量矩阵；[Ｋ]为结构的刚度矩阵；{ｘ珋}为结构的节点加速度向量；{ｘ}为结构的节点位移向量。其对应的２{}特征方程为([Ｋ]－ω[Ｍ])ｕ＝０，求解上式就可得到空间ＣＣＤ相机镜头的固有频率和振型。通过分析相机

8、的固有频率和相关振型（一般最关心的是前几阶固有图６相机第六阶模态图频率及相应振型），可以考查其动态刚度，评估其动力学特性，指导后续动态分析（如瞬态分析、响应谱分析、瞬激振方向：Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向。态分析中时