cae技术在空间相机光机结构设计中的应用

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1、第7卷第6期光学精密工程Vol.7,No.61999年12月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGDecember,1999文章编号1004-924X(1999)06-0023-07CAE技术在空间相机光机结构设计中的应用牛晓明(中国科学院长春光学精密机械研究所长春130022)摘要CAE技术在空间相机光机结构设计中发挥着不可替代的作用,主要表现为在光学元件的轻量化设计、形状的优化设计、材料的优化选择,进行光学元件支撑结构的灵敏度分析、优化设计、轻量化设计,整机结构形式的优化选择及结构强度、刚度分

2、析等方面对设计起着决定性的指导作用,是现代设计方法中最重要的手段之一。关键词CAE空间相机结构刚度中图分类号TP391.7,TB852.1文献标识码A1引言空间光学仪器作为一种高科技的精密仪器,从光机结构设计来说,不同于其它仪器的地方在于对结构的比刚度要求很高,即要求结构具有较高的刚度,同时重量要轻,这对设计者来说是一个严峻的课题,要完成这一任务,靠设计者的经验进行设计无法办到,采用实验的方法必然大大增加研制成本、延长研制周期,在日益激烈的市场竞争中是不可取的。利用计算机辅助工程分析技术(CAE),以构造相机的虚拟样

3、机为基础,进行全方位深层次的仿真分析,使传统[1]的设计手段发生了一场革命,在产品的研制设计中显示了巨大的优越性。随着计算机硬件软件技术的飞速发展,进行大规模和超大规模有限元分析计算已经成为可能,这使得利用CAE技术对复杂结构的分析更加快速、准确,而且随着CAE技术的不断发展和工程需要,它的应用已经不仅仅局限于产品设计后期的简单校核,而是从一开始就渗透到设计中去并且贯穿于[2]设计过程的始终,指导设计,尤其对于空间光学仪器来说,为了确保相机不仅在空间环境状态下能正常工作,保持足够准确度,而且在发射运载过程中不破坏,不

4、产生残余变形,要求相机[3][4]结构具有足够的刚度和强度;同时,相机在空间恶劣环境下应具有良好的尺寸稳定性,以保证视轴(LOS)及镜面的变化(WFE)在许用范围之内。为此,在方案设计阶段针对相机结构进行工程分析,考核方案的可行性,并为选取合理设计参数提供科学的依据。工程分析在光机收稿日期:1999-09-13修稿日期:1999-10-0824光学精密工程7卷结构设计中的内容主要包括光学元件的轻量化分析、光学系统支撑结构的优化设计、整机支撑结构形式的优化选择以及整机的工程分析等几个方面,本文围绕这几个方面,以某空间光

5、学遥感器为例,论述了CAE技术在空间光学遥感器光机结构设计中的应用。整个分析的流程图如图1所示。2光学元件的轻量化设计及其支撑方式的确定空间相机中的光学元件特别是主镜是整个光学系统中最重要的部件,它的面形精度高低直接关系到整个相机成像质量的好坏。高分辨率空间相机的孔径大,焦距长,造成主镜的体[5]积、重量较大,因此必须进行轻量化设计,主镜轻量化设计主要采取背部打轻量化孔的方式,轻量化孔的形式有圆形孔、三角形孔、六边形孔以及扇形孔等,轻量化孔有封口和不封口两种方式。圆形轻量化孔可采取封口形式,三角Fig.1Scheme

6、ofCAEindesignofcamera形孔一般为不封口。主镜采用背部多点支撑形式,支撑方式的确定应以主镜在加工状态、工作状态的重力和温度场作用下的面形变化均满足精度要求为依据,本相机主镜为600mm口径、厚85mm的熔石英反射镜,支撑方式为背部支撑,初步选择如下几种主镜轻量化方案及支撑方式,分别建立有限元分析模型并进行分析计算,模型图如图2所示。(a)circularhole(b)circularhole(c)sectrialhole3supports9supports3supports6期牛晓明等:CAE技术在

7、空间相机光机结构设计中的应用25(d)triangularhole(e)hexagonalhole(f)multiplehole9supports9supports3supportsFig.2Schemeoflightweightprimarymirroranditssupportpattern2.1方案1:主镜采用圆形半封闭轻量化孔,支撑方式为三点支撑,见图2(a)。2.2方案2:主镜采用圆形半封闭轻量化孔,支撑方式为九点支撑见图2(b)。2.3方案3:主镜采用扇形轻量化孔,支撑方式为三点支撑见图2(c)。2.4方

8、案4:主镜采用三角形轻量化孔,支撑方式为九点支撑见图2(d)。2.5方案5:主镜采用六边形轻量化孔,支撑方式为九点支撑见图2(e)。2.6方案6:主镜采用多样的轻量化孔,支撑方式为三点支撑见图2(f)。Table1surfacefigureerrorofprimarymirrorHorizontalopticalaxisVerticalopti