基于ANSYS Workbench的高光譜相機轉運車的設計與分析

霍瑩， 田春林， 王延明

（長春理工大學機電工程學院，長春 130022）

0 引言

高光譜CCD航拍相機主要應用于飛行器上，每次試驗拍攝景象都需要飛機試飛一次，這需要大量的人力、物力，因此研制一套航空相機拍照模擬系統，有助于對相機的性能參數作出準確的測評［1］。

高光譜CCD機載相機檢測設備，是通過計算機模擬高光譜CCD航空相機的工作狀態，生成動態目標，通過DLP技術投影播放出高速動態高分辨率圖像，經過平行光管同時傳輸圖像生成大視場無窮遠目標。由CCD航空相機掃描拍攝此目標，最后通過相機拍攝的圖像與原圖像對比，分析出CCD航空相機是否符合飛行機上的偵察標準。

其中，高光譜轉運車是高光譜CCD機載相機性能測試系統的一個重要組成部分，因此相機轉運車的性能、變形量就成為實驗檢測的一個重要部分。

本文運用三維軟件SolidWorks對高光譜相機轉運車進行幾何建模，利用 SolidWorks與 ANSYS Workbench14.5的無縫連接功能，將幾何模型導入ANSYS Workbench14.5中，通過設置材料、劃分網格、給出邊界條件，進行靜力學分析，并觀察模型的等效應力應變云圖和變形量云圖，進而檢驗出該轉運車的結構是否滿足性能要求，并為實驗提供理論依據。

1 Solidworks建模及數據信息

1.1 高光譜相機轉運車設計

高光譜CCD機載相機轉運車是模擬飛機飛行時相機旋轉拍攝過程中承載相機使用的。相機需懸掛在懸掛板上，由于相機的自身重量大，人工搬運有一定的難度，因此筆者設計一臺可以移動、升降的小車，可以將相機方便地安裝在懸掛板上。同時，筆者在設計過程中，在4個腳支座下安裝了4個腳輪，可以滿足自由移動的要求。

轉運車的整體結構采用鋁合金，表面處理為本色陽極氧化處理，截面尺寸為80 mm×80 mm，骨架長、寬、高分別為924 mm、740 mm、1 350 mm，在桿系結合處采用的是角連接和螺栓連接。由于懸掛相機部分受力較大，實驗中將懸掛板及2個側板設計為優質碳素鋼45鋼，厚度為9 mm。其他部分均為普通碳素結構鋼。本文采用CATIA公司的SolidWorks軟件進行轉運車的建模，如圖1所示。

圖1 轉運車的模型

為了方便實驗分析，筆者將一些對實驗影響不大的機構進行了簡化，如圖2所示。

圖2 簡化后的模型

1.2 轉運車三維有限元模型的建立

1.2.1 Workbench與SoildWorks軟件集成設置及模型的導入

1） 在 Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 14.5→Utilities→CAD Configuration Manager 14.5命令。

啟動ANSYS CAD Configuration Manager 14.5軟件設置窗口，在窗口的CAD Selection選項卡中，可以看到ANSYS Workbench 14.5軟件能與大多數主流CAD軟件實現集成。

2）在CAD Selection選項卡中依次選擇Workbench and Geometry Interface及SolidWorks選項，使其選項變成■，并單擊Next＞＞按鈕，進入下一步設置。

3）在CAD Configuration選項卡中，可以顯示出當前的配置信息。

4）在 CAD Configuration選項卡中選擇 Configue Selected CAD Interface命令，經過一段時間會在下面白色面板中出現“Configure Success”字樣，單擊Exit按鈕。

5）啟動SoildWorks軟件，在工具欄會出現一個“ANSYS 14.5”按鈕。

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

1.2.2 模型材料屬性的定義

模型材料設定是實驗分析的基礎，由于材料庫中有鋁合金和普通碳素鋼的材料參數，因此均采用默認值。

但由于材料庫中沒有45鋼，因此必須自己設定材料參數。

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

圖3 45鋼材料屬性參數

1.2.3 Meshing網格剖分

網格剖分的目的是對CFD和FEA模型實現離散化，并用適當數量的網格單元得到最精確的解。有限元分析的主要部分是網格剖分，網格質量的好壞將直接影響計算結果。Meshing網格剖分平臺具有參數化、穩定性好、高度自動化、靈活性強等特點。同時，ANSYS Workbench在大型復雜、尺寸差異較大的部件上建立網格剖分可以自動生成網格，大大節省了時間。在自動生成網格的過程中，對于精度要求高的區域會自動調整密度，網格生成形狀、特性較好，能夠保證網格的高質量。該模型節點數為2 628 961，單元數為581 758，如圖4所示。

2 載荷的分析與處理

圖4 網格劃分后的有限元模型

模擬轉運車在承載中的受力，可以增加結果的準確性和可靠性。轉運車在運載過程中主要承受自身的重力、相機的重量和相機旋轉時產生的扭矩。其中自身質量大約為25 kg，相機的質量約為200 kg。因此，在四個支座上施加支持力，在旋轉板上施加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 靜力學分析的后處理

后處理是設計的核心部分,包括結果和求解合理性的檢查，即完成應力應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 等效應變云圖

圖7 等效應力云圖

圖8 總變形云圖

從圖6等效應變云圖中可以看出，最大的等效應變是0.162 6，能滿足設計要求。

從圖7等效應力云圖中可以看出，最大的等效應力是29.4 MPa，遠小于強度極限，能滿足鋼材的性能要求。

從圖8總變形云圖中可以得出，模型的變形主要發生在旋轉板的中部，最大的變形量是0.132 57 mm，能滿足實驗設計的要求。

4 結語

本文通過三維軟件SolidWorks對高光譜相機轉運車進行設計及其建模，利用SolidWorks與ANSYS Workbench的集成，將模型導入ANSYS Workbench中，實現了軟件間的無縫連接，完成了數據完美的交換與共享。進而通過模擬實驗中的數據參數，利用ANSYS Workbench有限元軟件對高光譜相機轉運車的模型進行靜力學分析，得到了該模型的等效應力應變云圖和總變形云圖。從而得知，在旋轉板的中間部分和兩側板的連接部分受力最大，因此在此部分使用45鋼，完全能滿足實際的性能要求，進一步，為實際操作與實際改進提供理論依據。

［1］ 吳迪.寬光譜大視場航空相機無限遠目標模擬系統設計［D］.長春：長春理工大學，2012.

［2］ 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench超級學習手冊［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.基于ANSYS Workbench的電源車骨架的模態分析［J］.科學技術與工程，2010，10（22）：5592-5594.

［5］ 安志勇,付饒.航空相機地面景物模擬系統研究［D］.長春：長春理工大學，2010.