摘 要：空间光学遥感器所经受的主要力学环境是在运载、发射过程中的动力学环境，尤其是遥感器所经受的各种振动载荷，它直接关系到遥感器结构的稳定性，是影响遥感器在空间能否正常工作的关键因素。采用CAE技术对空间光学遥感器进行动态刚度及动力学载荷响应分析，旨在考查空间光学遥感器抗外界干扰能力和运载、发射、试验过程抗破坏能力。研究结果表明，空间光学遥感器具有较高的刚度，能够抑制动力学环境干扰，保持良好的动态特性，空间光学遥感器方案可行。
关键词：CAE技术；有限元法；空间光学遥感器；动力学响应；动力学特性
中图分类号：TP211+.6 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2011）10-0037-03
作者简介：耿麒先（1974-），男，河南孟县人，博士，北华大学机械工程学院讲师，研究方向为空间光学机械的CAE研究及其优化设计；李卓（1979-），女，吉林长春人，博士，北华大学计算机科学技术学院讲师，研究方向为计算机辅助工程及计算机程序开发。
0 引言
航天光学遥感技术的研究已经开展了50多年，随着遥感数据应用的不断深入，人们对天体和地球观测的要求越来越高，对空间光学遥感器的要求也越来越高。空间光学遥感器在地面运输和发射飞行过程中，将经受各种类型的恶劣力学环境，包括振动、噪声、冲击、加速度等。为了确保空间光学遥感器在空间环境状态下的光学元件结构位置精度及成像质量，以及在发射运载过程中不破坏、不产生残余变形，必须保证空间遥感器结构既具有较轻的重量，又满足足够的强度、刚度和良好的热环境适应性要求。为此，可采用计算机辅助工程（CAE）数值计算方法，应用有限元分析技术对所设计的空间遥感器结构从刚度、强度、热稳定性方面进行结构性能模拟仿真分析和优化设计。文中对空间遥感器结构进行模态分析和频率响应分析，以便预示空间遥感器的结构固有动态特性及其对动力学环境的响应。应用仿真分析结果所提供的信息可以确定空间遥感器结构设计的合理性，以决定是选用该设计方案还是对设计方案进行修改，有利于减少原型试验，实现设计的创新，并可以最后实现对于设计方案的选定。
空间光学遥感器结构方案特点：空间遥感器光学系统主体为对称型透射式结构，包括八片材料分别为TF3、ZK8和K9的三组光学元件。由于其焦距较长，在第二组光学元件与第三组光学元件间加入平面反射镜，将光线转折90°后射入CCD像面，所以空间光学遥感器外形呈L形。为便于光学元件的安装与调试，将空间光学遥感器镜头分为三段，中间采用法兰联接，前遮光罩与镜头间通过过渡环螺纹联接。
1 有限元模型的建立
1.1 光机结构方案
空间光学遥感器光机结构方案三维模型如图1所示。该空间光学遥感器通过位于中部直镜筒上的法兰安装到基础上。
1.2 材料属性
表1所示为空间光学遥感器有关零件的材料参数。所缺数据（分析计算需要）根据航空材料手册补全。
1.3 有限元模型
根据空间光学遥感器的光机结构特点，选用三维体单元(8节点六面体单元和10节点四面体单元)和壳单元对其进行离散化处理。前遮光罩上的消杂光环及2mm厚的罩体采用壳单元，直镜筒上的纵向筋也采用壳单元，其余部分全部采用三维体单元。镜组与镜筒间的胶层直接用钛合金材料代替。
有限元模型如图2所示，模型的X轴为空间光学遥感器的光轴方向，XOY平面为光路折转面，其中单元5331个，节点8479个。空间光学遥感器内部的法兰联接处每个面上16个节点直接刚性联接；安装用法兰盘划分为一层单元，其中两表面上、8个紧固螺钉所在位置的16个节点全约束。
2 工程分析
采用MSC.Nastran对空间光学遥感器的结构有限元模型进行求解。
2.1 模态分析
衡量结构动态刚度的主要指标是结构的固有频率及相关的振型。模态分析用于计算空间光学遥感器的振动特性，获取结构的固有频率Fn和振型，考查其动态刚度，并试图发现空间光学遥感器的薄弱环节。一般最主要关心的是前几阶固有频率Fn及相应振型，要确保空间光学遥感器有足够高的基频和不产生与相关结构一致或近似一致的振型。
空间光学遥感器的模态分析结果如表2及图3~图6所示，其第一阶模态为200.8Hz，且各阶模态的频率间隔较大，说明空间光学遥感器具有足够高的动态刚度，且其模态叠加的可能性较小。
2.2 频率响应
在4Hz~2000Hz范围内，按单位加速度基础输入，分析计算空间光学遥感器的频率响应，考查空间光学遥感器的抗共振能力。激振方向：X、Y、Z三个方向。
采用大质量法对空间光学遥感器进行频率响应分析计算，取结构阻尼为3%。安装螺钉所在位置的16个节点与大质量节点间建立一个RBE2单元，在大质量节点上分别施加X、Y、Z向的单位加速度载荷。在4Hz~2000Hz范围内均匀插入100个数据点，同时在共振点附近再插入3个计算点。
图7~图9所示为空间光学遥感器在加速度载荷作用下的频率响应曲线，其中黄色水平线表示基础输入节点8480的响应(等于输入值)，红色线是空间光学遥感器第一镜片外顶点(节点966，以下简称首端)的响应，蓝色线是空间光学遥感器的CCD焦面组件外表面中心点(节点8141，以下简称末端)的响应。从图7~图9可以看出，空间光学遥感器在4Hz~2000Hz范围内仅有1~2个大于10倍放大倍率的共振点，且其频率间隔较大；首末端的最大响应点如表3所示。
以上结果表明，空间光学遥感器光机结构设计方案具有较强的抗振能力。
3 结束语
本文通过CAE方法，针对空间光学遥感器进行有限元分析，考核空间遥感器光机结构设计方案的可行性，为选取合理设计参数提供科学的依据。首先，应用CAE技术从刚度方面对空间遥感器进行三维有限元分析；同时，应用有限元动力学分析技术对空间遥感器的抗振能力进行预测，从数值分析结果看，空间遥感器动态刚度高，保证了空间遥感器在空间力学环境条件下的抗干扰能力。实践表明，应用CAE技术和有限元分析方法对空间遥感器作动态特性系统评价，不仅能指导设计，缩短研制周期，降低成本，而且可以对空间遥感器的高安全可靠性和成像质量提供可靠保障，对空间遥感器以及其它空间光机结构的未来设计具有一定指导意义。
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（责任编辑：余 晓）
CAE Study on Dynamic Environments of the Space Optics Remote Sensor
Abstract:The main mechanics environments that the space optics remote sensor have to stand are dynamic environments in the course of transfer, launch, especially various kinds of vibration. It straightly influences the stability of optics remote sensor and is the main interfere factor of normally work in the space. The structure of the space optics remote sensor is analyzed on dynamic mechanical performance and dynamic response by means of CAE technology in order to investigate the abilities to avoid the external disturbance and damage during transfer, launch and dynamic experiment. The research result indicated that the space optics remote sensor has higher rigidity and can suppress the interferer of dynamic environment and hold good dynamic characteristic. The designed scheme of space optics remote sensor is feasible.
Key Words: CAE Analysis; Finite Element Method; Space Optics Remote SENSOR; DYNAMIC Response; Dynamic Characteristic
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