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1、三线阵C C D立体测绘相机工程力学分析 王延风 中国料学院长今光学翎密机械研究所，长令1 3 0 0 2 2 ) 摘要:本 文应用C A D / C A E 技术 构造三 线阵C C D 立 体测绘相机的 屏幕样机， 在屏幕 样机的基 础 上建立相机的有限元模型， 对三线阵C C 。 立体测绘相机在工作及发射运载状态下的性能 进行 工程力学分析及仿真， 综合预评价了 相机的辞态刚度、动态刚度、机械强度及在温度场作用 下结构尺寸的稳定性。 通过分 析计 算，找出 薄弱 环节， 提出 改善途径。 通 过设计一分 析一 修 改的迭代过程，得到满意的设计方奥， 1 引言 三线阵C C D 立体测绘相
2、机是立体测绘小卫星的有效载荷。 为了确保三线阵C C D 立体测绘 相机能 适应其所经受的各种环境， 使 其光 学、 机 械、电 气和其它性能符 合要求， 即不 仅在空 间 状态下能正常工作， 而且在发射运 载过 程中不 破坏， 不 产生 残余变形， 要求相机结 构具有 足够的刚度和强度;同时，相机在空 间恶劣温度环境条件下应具有良 好的尺寸毯定性，以保 证相机光学系统中三个镜头间夹角变 化及镜筒内各光学元件之间的 相对位置及镜面的变化在 许用范围内。为此， 在方案设计阶段 针对相机结构进行工程力学分析， 综合预评价了 相机的 静态刚度、 动态刚度、机械强度及在温度场作用下结构尺寸的稳定性，
3、考核方案的可行性， 找出 薄弱环节，为选取合理的设汁参 数提供科学依据。 2 工程力学分析流程 下图所示为工程力学分析流程示意图 No 自重作用变形计算 屏幕样机 有限元 模型 动态特性2 响应计算 指标 温度场/ 热变形计算 镜头间夹角变化 相机光学性能要求 图1工程力学分析流程图 3 工程分析模型构造 3 . 1 三线阵C C D 立体测绘相机屏幕样 机构造 首先构造出相机支架、二 个锐头、星相机电控箱等零部件的三维实体模型， 然后 组装成相机的屏幕样机 见图2 ). 、 _ 扮 一沪 三 线 ; 车 C C D 立体测绘相机屏幕样机 有限元模型构造 图3 三线阵C C D 立体 侧绘相机
4、有限 元模型 在C A D 屏 幕 样 机的 基 础 上 ， 分 别 建 立了 相 机 和相 机 安 装 在 卫 星 平 台 上 的 有 限 元 模 型 . 相 机 有 限元模型的划分遵循几何等效、力学等效和能且等效的原则， 在关 键的力或热传递路径上网 格划 分要密些， 准确反映受力及 热载 荷作用情况， 确保结 构刚 度、 质量等 效; 提商 模型 求解 的精 确程度， 降低求解的收敌误差。非关键部位在能量等效的前提下进行模型简化，准确描 述其 等效单元体的质觉和质心位置及联接刚度，以体现简化后 “ 构件”，能等效真实构件对 整机的质量和刚度贡献。相机有限元模型作了 如下处理: 相机支架:
5、该部分是相机的关键部件。 其两个梯形立板与 卫星平台安装板相联， 故也是 对外界环境干扰最敏感的部位. 相机支架刚度的好坏直接影响三个镜筒相对位置变化， 因此支 架的工程分析模型址大限度忠实于实际结构。 在镜筒支座根部加筋形成三角托板， 通过工程分 析计算找出薄弱环节， 来及时调整加筋形式和支架结构。 由于支架立板、 底板、 筋等其厚度方 向 相对于其它方向尺寸要小得多，且受有法向载荷，故采用壳单元， 其网 络划分也较密。 b . 三个镜头: 镜片用体单 元， 镜筒 在壁较厚、 台 阶处以 体 单元通 近其结构更能反映真实 情 况. 对于 镜简 壁较薄， 且 几乎 没台阶的 镜筒部分， 用亮单
6、元. 为 保证 三 线阵C C D 立体 测绘相机 交会角满足技术指标，在镜简法线方向上加辅助支承。 c .相机联接到卫星平台上。 d .有限元模型参数 几何模型参数一 单元总数: 4 8 8 5 ， 节点总数:5 9 1 6 相机有限元模型见图3 相机装在卫星上( 空间工作状态) 的有限元模型见图4 载荷工况 工况川 自重 释放。以自 重载荷等效计算，沿正视镜头光轴方向。 L 况2 1 过载载荷 ( 卫星 帆板收扰、 发 射状态) 纵向1 2 g( 正 视镜头 光轴 方向) ， 横向2 g . 工况3 1 动态响应分析计算工况 a .低频正弦振动条件:3 - 8 H Z 4 . 8 9 口
7、口 ( 幅值) djr卫月胜rl.rL 8 - 1 0 0 t i Z 1 . 2 g b .宽 带随机振动条件 加速 度功率 密度) : 2 0 - 1 0 0 H Z 3 d b / o c t 1 0 0 - 6 0 0 H 2 0 . 0 8 矿 / H Z 6 0 0 - 2 0 0 0 1 1 Z - 3 d b / o c t 工况引 冲击载荷 载荷函数为半正 弦波， 幅值为5 0 g ， 时间为6 - l o in s . 沿纵向加吸， 墓础输入. 工况5 1 环境滥度均匀升高4 C 相 机变形或谧度场作 用下相机热变形。 5 分析计算结果 5 . 1 相机结构自 重变形 表1
8、为 相机结构在自 重作用. 下( 工况1 ) 变形结果 鱼 相 丛 结 构自 重 变 形 镜 筒 间 夹 角 变 化 在X O Y面内镜筒夹角变化 ( 秒) J T I / J T 2J T I /JT 3T M/ M 在Y O Z 面内 镜* AWIE R ( 9) J T I / J T 3! J - -F -T 2 / M J T I / M 工况 ，山-nU 2一故 指标 1 1 1 . 4 7 1 1 .7 9 Q G 8 主 1胜 2 求. ， . 2 注:J T I - 前视镜头:J T 2 一 后视镜头;J T 3 一 正 视镜头 自 重线 荷计算结果表明 ， 相机在自 重载荷
9、作 用下静态刚度 完全满足光学系 统所提出 的要 相机结构动态刚度 麦 色 担# 1. a469自 然 倾 率( F n ) 及 振 形 型 1 相机F n ( H z ) 振 型 描 述 f 4 c , 3 I N IX一一 石二二二二二 翌 董 誉 黔瓷 飞 楚 磊赢 153-157-234 ，一冉j 相机结构 I 阶振型见图5 图4 相机装在卫 星平台上的有限元模型 图5相机结构一阶振型图 我们X .i 相qt装在卫星平台上 ， 进行了自 然撕率计算和阵型分析， 卫星在飞行状态下前四 阶自 然频率小于3 U H z ; 卫星太阳翻 板收拢 状态发射时一 阶频那为6 0 H z ， 可见
10、相机 的前几 阶 自 然 频率远高于卫星的 低阶自 然频 率， 也 远大于 星上 干扰载荷的频率. 表明 相机结构的动 态 刚度足够高. 通过环境激励载荷响 应计 算得出 相机光学元件 相对位2的 变化均在许用范困 内， 说明 相机结构动态刚度完全满 足技术指标要 求 ( 见表3 ) . 一 工 况 在X O Y面内 镜筒夹角变化 ( 角秒)在Y O Z面内镜筒夹角变化 ( 角秒) 1 T1 / J T 2 J T I / J T 3J T 2 /J T 3 J TI / J T 3 J T 2 / J 竹J Tl / J T 2 指标 2 2一 22 22 3 0 . 0 0 0 0 1(
11、- 0 0 0 1 1 6 0 .0 0 0 0 50 .0 0 5 4 3:0 . 0 0 4 8 3 0 . 0 0 0 6 5 . 3 相机结构应力强度晌应 相机结构抗冲击与 过载能力由相机结构的应力响应表示，见表4 工 况 最大主应力 K g h n m 2 发生部位及 所用材料 0七 K 8 A a m 2 00 . 2 Kg/m=2 安全 系数 23 . 0 3 3 相机与卫星安装板联 结处/ L L 2 0 4 A 4 03 21 3 2 48 . oo 相机与卫星安装板联 结处I Z L 2 0 4 A 4 03 24 . 9 3 低频正弦 0 . 4 3 相机与卫星安装板联
12、结处/ Z L 2 0 4 4 03 29 3 分析计算表明相机结构强度满足要求. 安全系数为4 以 上 ， 其最大应力值亦远小于材料 的t t g 服极限。说明相机在发4 4 运载过程中既不会被破坏，亦不会产生残余变形。图6 为低频 正弦工况应力响应曲线 L EG END 一 . 竺 幻 . 川I M . . 月. . 月勺 . . 曰门 口目 图8 低频正弦振动工况应力响应曲 线 5 4热截荷作用下相机结构热变形 表5 均匀沮升时相机结构变形 工 况 在X O Y面内镜筒夹角变化 ( 角秒)在Y O Z 面内 镜筒夹角变 化 ( 角秒) J T I / r r 2J T I / TT3J
13、几 月 丁 3J TI / r r 3刃巴/ r 口J T I / r t 2 指标 2 22一2 z2 51 . 8 91 .9 5 1 .8 71 .9 8 1 .9 60 . 1 3 5 . 5 综合计算结果比 较 指标自 里级荷均匀 沮升防机振动 图7 各工况作用下镜头间夹角变化 注: 各工况直方图 从左向 右分 别是前视 镜头与 后视镜头间 夹角变化值 ( J T I /J T 2 ) ，前视镜头与 正视镜头间夹角变化值 ( J T I / r T 3 )， 后视镜头与正视镜头间夹角变化值 ( J T 2 / M ) 6结论 相机结构在冲击、过载载荷作用下及低频正弦条件下最大主应力均
14、小于许用应力，其薄 弱环处的安全系数为i r - 4 . 9 ，说明 在发射及运载过程中 相机结构具有足够的抗破坏能力。 相机结构在冲击及过载载荷作用下及低频正弦条件下最大主应力均小于材料屈服极限， 说明在发射及运载过程中相机结构不会产生残余变形。 相机结构在自 重释放状态下，各光学镜头间夹角变化均在许用范围内，满足光学系统指 标要求，说明相机结构静态刚度足够高。 通过相机结构动态特性分析，得知相机结构一阶自 然频率为 1 5 3 H z， 远高于卫星平台 的前几阶固 有频率及外界振动扰动频率， 不会发生共振， 说明 相机结构具有较高的 动态 刚 度: 通过随机振动响应求解， 各 个光学 元件位移值均 在光学系 统要求范围内， 表明 相 机结构动态刚度合格。 相机结构在空间温度环境作用下，各个光学元件位移值均在光学系统要求范围内，不会 产生影响相机分辨力和像质的光学元件间相对位置变化及镜面崎变。
