基于ANSYS Workbench的高光譜相機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車的設(shè)計(jì)與分析

霍瑩， 田春林， 王延明

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

高光譜CCD航拍相機(jī)主要應(yīng)用于飛行器上，每次試驗(yàn)拍攝景象都需要飛機(jī)試飛一次，這需要大量的人力、物力，因此研制一套航空相機(jī)拍照模擬系統(tǒng)，有助于對(duì)相機(jī)的性能參數(shù)作出準(zhǔn)確的測(cè)評(píng)［1］。

高光譜CCD機(jī)載相機(jī)檢測(cè)設(shè)備，是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬高光譜CCD航空相機(jī)的工作狀態(tài)，生成動(dòng)態(tài)目標(biāo)，通過(guò)DLP技術(shù)投影播放出高速動(dòng)態(tài)高分辨率圖像，經(jīng)過(guò)平行光管同時(shí)傳輸圖像生成大視場(chǎng)無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)。由CCD航空相機(jī)掃描拍攝此目標(biāo)，最后通過(guò)相機(jī)拍攝的圖像與原圖像對(duì)比，分析出CCD航空相機(jī)是否符合飛行機(jī)上的偵察標(biāo)準(zhǔn)。

其中，高光譜轉(zhuǎn)運(yùn)車是高光譜CCD機(jī)載相機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，因此相機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車的性能、變形量就成為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的一個(gè)重要部分。

本文運(yùn)用三維軟件SolidWorks對(duì)高光譜相機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)行幾何建模，利用 SolidWorks與 ANSYS Workbench14.5的無(wú)縫連接功能，將幾何模型導(dǎo)入ANSYS Workbench14.5中，通過(guò)設(shè)置材料、劃分網(wǎng)格、給出邊界條件，進(jìn)行靜力學(xué)分析，并觀察模型的等效應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和變形量云圖，進(jìn)而檢驗(yàn)出該轉(zhuǎn)運(yùn)車的結(jié)構(gòu)是否滿足性能要求，并為實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

1 Solidworks建模及數(shù)據(jù)信息

1.1 高光譜相機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車設(shè)計(jì)

高光譜CCD機(jī)載相機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車是模擬飛機(jī)飛行時(shí)相機(jī)旋轉(zhuǎn)拍攝過(guò)程中承載相機(jī)使用的。相機(jī)需懸掛在懸掛板上，由于相機(jī)的自身重量大，人工搬運(yùn)有一定的難度，因此筆者設(shè)計(jì)一臺(tái)可以移動(dòng)、升降的小車，可以將相機(jī)方便地安裝在懸掛板上。同時(shí)，筆者在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在4個(gè)腳支座下安裝了4個(gè)腳輪，可以滿足自由移動(dòng)的要求。

轉(zhuǎn)運(yùn)車的整體結(jié)構(gòu)采用鋁合金，表面處理為本色陽(yáng)極氧化處理，截面尺寸為80 mm×80 mm，骨架長(zhǎng)、寬、高分別為924 mm、740 mm、1 350 mm，在桿系結(jié)合處采用的是角連接和螺栓連接。由于懸掛相機(jī)部分受力較大，實(shí)驗(yàn)中將懸掛板及2個(gè)側(cè)板設(shè)計(jì)為優(yōu)質(zhì)碳素鋼45鋼，厚度為9 mm。其他部分均為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。本文采用CATIA公司的SolidWorks軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)車的建模，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)運(yùn)車的模型

為了方便實(shí)驗(yàn)分析，筆者將一些對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不大的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的模型

1.2 轉(zhuǎn)運(yùn)車三維有限元模型的建立

1.2.1 Workbench與SoildWorks軟件集成設(shè)置及模型的導(dǎo)入

1） 在 Windows系統(tǒng)下執(zhí)行“開(kāi)始”→“所有程序”→ANSYS 14.5→Utilities→CAD Configuration Manager 14.5命令。

啟動(dòng)ANSYS CAD Configuration Manager 14.5軟件設(shè)置窗口，在窗口的CAD Selection選項(xiàng)卡中，可以看到ANSYS Workbench 14.5軟件能與大多數(shù)主流CAD軟件實(shí)現(xiàn)集成。

2）在CAD Selection選項(xiàng)卡中依次選擇Workbench and Geometry Interface及SolidWorks選項(xiàng)，使其選項(xiàng)變成■，并單擊Next＞＞按鈕，進(jìn)入下一步設(shè)置。

3）在CAD Configuration選項(xiàng)卡中，可以顯示出當(dāng)前的配置信息。

4）在 CAD Configuration選項(xiàng)卡中選擇 Configue Selected CAD Interface命令，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)在下面白色面板中出現(xiàn)“Configure Success”字樣，單擊Exit按鈕。

5）啟動(dòng)SoildWorks軟件，在工具欄會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“ANSYS 14.5”按鈕。

6）將建立好的模型在SolidWorks中打開(kāi)，選擇工具欄中的“ANSYS 14.5”→“Workbench”,即模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench 14.5中。

1.2.2 模型材料屬性的定義

模型材料設(shè)定是實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)，由于材料庫(kù)中有鋁合金和普通碳素鋼的材料參數(shù)，因此均采用默認(rèn)值。

但由于材料庫(kù)中沒(méi)有45鋼，因此必須自己設(shè)定材料參數(shù)。

45鋼密度為7 859 kg/m3,屈服強(qiáng)度設(shè)置成大于335 MPa，彈性模量E=210 GPa，泊松比設(shè)置為0.31，其他均采用默認(rèn)值，如圖3所示。

圖3 45鋼材料屬性參數(shù)

1.2.3 Meshing網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格剖分的目的是對(duì)CFD和FEA模型實(shí)現(xiàn)離散化，并用適當(dāng)數(shù)量的網(wǎng)格單元得到最精確的解。有限元分析的主要部分是網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將直接影響計(jì)算結(jié)果。Meshing網(wǎng)格剖分平臺(tái)具有參數(shù)化、穩(wěn)定性好、高度自動(dòng)化、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)，ANSYS Workbench在大型復(fù)雜、尺寸差異較大的部件上建立網(wǎng)格剖分可以自動(dòng)生成網(wǎng)格，大大節(jié)省了時(shí)間。在自動(dòng)生成網(wǎng)格的過(guò)程中，對(duì)于精度要求高的區(qū)域會(huì)自動(dòng)調(diào)整密度，網(wǎng)格生成形狀、特性較好，能夠保證網(wǎng)格的高質(zhì)量。該模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 628 961，單元數(shù)為581 758，如圖4所示。

2 載荷的分析與處理

圖4 網(wǎng)格劃分后的有限元模型

模擬轉(zhuǎn)運(yùn)車在承載中的受力，可以增加結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。轉(zhuǎn)運(yùn)車在運(yùn)載過(guò)程中主要承受自身的重力、相機(jī)的重量和相機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的扭矩。其中自身質(zhì)量大約為25 kg，相機(jī)的質(zhì)量約為200 kg。因此，在四個(gè)支座上施加支持力，在旋轉(zhuǎn)板上施加2 200 N的壓力和30 rad/s角速度，如圖5所示。

圖5 載荷的分析及處理

3 靜力學(xué)分析的后處理

后處理是設(shè)計(jì)的核心部分,包括結(jié)果和求解合理性的檢查，即完成應(yīng)力應(yīng)變分布云圖和總變形云圖，分別如圖6、圖7及圖8所示。

圖6 等效應(yīng)變?cè)茍D

圖7 等效應(yīng)力云圖

圖8 總變形云圖

從圖6等效應(yīng)變?cè)茍D中可以看出，最大的等效應(yīng)變是0.162 6，能滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖7等效應(yīng)力云圖中可以看出，最大的等效應(yīng)力是29.4 MPa，遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，能滿足鋼材的性能要求。

從圖8總變形云圖中可以得出，模型的變形主要發(fā)生在旋轉(zhuǎn)板的中部，最大的變形量是0.132 57 mm，能滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)三維軟件SolidWorks對(duì)高光譜相機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)行設(shè)計(jì)及其建模，利用SolidWorks與ANSYS Workbench的集成，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，實(shí)現(xiàn)了軟件間的無(wú)縫連接，完成了數(shù)據(jù)完美的交換與共享。進(jìn)而通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)參數(shù)，利用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)高光譜相機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了該模型的等效應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和總變形云圖。從而得知，在旋轉(zhuǎn)板的中間部分和兩側(cè)板的連接部分受力最大，因此在此部分使用45鋼，完全能滿足實(shí)際的性能要求，進(jìn)一步，為實(shí)際操作與實(shí)際改進(jìn)提供理論依據(jù)。

［1］ 吳迪.寬光譜大視場(chǎng)航空相機(jī)無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2012.

［2］ 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［3］ 周基,芮勇勤,譚勇.基于Solidworks建模技術(shù)的工程有限元仿真分析［J］.中外公路，2010，30（6）：187-189.

［4］ 牟偉杰，楊俊智，陳建業(yè).基于ANSYS Workbench的電源車骨架的模態(tài)分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（22）：5592-5594.

［5］ 安志勇,付饒.航空相機(jī)地面景物模擬系統(tǒng)研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2010.