基于ANSYS Workbench的高光谱相机转运车的设计与分析

霍莹， 田春林， 王延明

（长春理工大学机电工程学院，长春 130022）

0 引言

高光谱CCD航拍相机主要应用于飞行器上，每次试验拍摄景象都需要飞机试飞一次，这需要大量的人力、物力，因此研制一套航空相机拍照模拟系统，有助于对相机的性能参数作出准确的测评［1］。

高光谱CCD机载相机检测设备，是通过计算机模拟高光谱CCD航空相机的工作状态，生成动态目标，通过DLP技术投影播放出高速动态高分辨率图像，经过平行光管同时传输图像生成大视场无穷远目标。由CCD航空相机扫描拍摄此目标，最后通过相机拍摄的图像与原图像对比，分析出CCD航空相机是否符合飞行机上的侦察标准。

其中，高光谱转运车是高光谱CCD机载相机性能测试系统的一个重要组成部分，因此相机转运车的性能、变形量就成为实验检测的一个重要部分。

本文运用三维软件SolidWorks对高光谱相机转运车进行几何建模，利用 SolidWorks与 ANSYS Workbench14.5的无缝连接功能，将几何模型导入ANSYS Workbench14.5中，通过设置材料、划分网格、给出边界条件，进行静力学分析，并观察模型的等效应力应变云图和变形量云图，进而检验出该转运车的结构是否满足性能要求，并为实验提供理论依据。

1 Solidworks建模及数据信息

1.1 高光谱相机转运车设计

高光谱CCD机载相机转运车是模拟飞机飞行时相机旋转拍摄过程中承载相机使用的。相机需悬挂在悬挂板上，由于相机的自身重量大，人工搬运有一定的难度，因此笔者设计一台可以移动、升降的小车，可以将相机方便地安装在悬挂板上。同时，笔者在设计过程中，在4个脚支座下安装了4个脚轮，可以满足自由移动的要求。

转运车的整体结构采用铝合金，表面处理为本色阳极氧化处理，截面尺寸为80 mm×80 mm，骨架长、宽、高分别为924 mm、740 mm、1 350 mm，在杆系结合处采用的是角连接和螺栓连接。由于悬挂相机部分受力较大，实验中将悬挂板及2个侧板设计为优质碳素钢45钢，厚度为9 mm。其他部分均为普通碳素结构钢。本文采用CATIA公司的SolidWorks软件进行转运车的建模，如图1所示。

图1 转运车的模型

为了方便实验分析，笔者将一些对实验影响不大的机构进行了简化，如图2所示。

图2 简化后的模型

1.2 转运车三维有限元模型的建立

1.2.1 Workbench与SoildWorks软件集成设置及模型的导入

1） 在 Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 14.5→Utilities→CAD Configuration Manager 14.5命令。

启动ANSYS CAD Configuration Manager 14.5软件设置窗口，在窗口的CAD Selection选项卡中，可以看到ANSYS Workbench 14.5软件能与大多数主流CAD软件实现集成。

2）在CAD Selection选项卡中依次选择Workbench and Geometry Interface及SolidWorks选项，使其选项变成■，并单击Next＞＞按钮，进入下一步设置。

3）在CAD Configuration选项卡中，可以显示出当前的配置信息。

4）在 CAD Configuration选项卡中选择 Configue Selected CAD Interface命令，经过一段时间会在下面白色面板中出现“Configure Success”字样，单击Exit按钮。

5）启动SoildWorks软件，在工具栏会出现一个“ANSYS 14.5”按钮。

6）将建立好的模型在SolidWorks中打开，选择工具栏中的“ANSYS 14.5”→“Workbench”,即模型导入 ANSYS Workbench 14.5中。

1.2.2 模型材料属性的定义

模型材料设定是实验分析的基础，由于材料库中有铝合金和普通碳素钢的材料参数，因此均采用默认值。

但由于材料库中没有45钢，因此必须自己设定材料参数。

45钢密度为7 859 kg/m3,屈服强度设置成大于335 MPa，弹性模量E=210 GPa，泊松比设置为0.31，其他均采用默认值，如图3所示。

图3 45钢材料属性参数

1.2.3 Meshing网格剖分

网格剖分的目的是对CFD和FEA模型实现离散化，并用适当数量的网格单元得到最精确的解。有限元分析的主要部分是网格剖分，网格质量的好坏将直接影响计算结果。Meshing网格剖分平台具有参数化、稳定性好、高度自动化、灵活性强等特点。同时，ANSYS Workbench在大型复杂、尺寸差异较大的部件上建立网格剖分可以自动生成网格，大大节省了时间。在自动生成网格的过程中，对于精度要求高的区域会自动调整密度，网格生成形状、特性较好，能够保证网格的高质量。该模型节点数为2 628 961，单元数为581 758，如图4所示。

2 载荷的分析与处理

图4 网格划分后的有限元模型

模拟转运车在承载中的受力，可以增加结果的准确性和可靠性。转运车在运载过程中主要承受自身的重力、相机的重量和相机旋转时产生的扭矩。其中自身质量大约为25 kg，相机的质量约为200 kg。因此，在四个支座上施加支持力，在旋转板上施加2 200 N的压力和30 rad/s角速度，如图5所示。

图5 载荷的分析及处理

3 静力学分析的后处理

后处理是设计的核心部分,包括结果和求解合理性的检查，即完成应力应变分布云图和总变形云图，分别如图6、图7及图8所示。

图6 等效应变云图

图7 等效应力云图

图8 总变形云图

从图6等效应变云图中可以看出，最大的等效应变是0.162 6，能满足设计要求。

从图7等效应力云图中可以看出，最大的等效应力是29.4 MPa，远小于强度极限，能满足钢材的性能要求。

从图8总变形云图中可以得出，模型的变形主要发生在旋转板的中部，最大的变形量是0.132 57 mm，能满足实验设计的要求。

4 结语

本文通过三维软件SolidWorks对高光谱相机转运车进行设计及其建模，利用SolidWorks与ANSYS Workbench的集成，将模型导入ANSYS Workbench中，实现了软件间的无缝连接，完成了数据完美的交换与共享。进而通过模拟实验中的数据参数，利用ANSYS Workbench有限元软件对高光谱相机转运车的模型进行静力学分析，得到了该模型的等效应力应变云图和总变形云图。从而得知，在旋转板的中间部分和两侧板的连接部分受力最大，因此在此部分使用45钢，完全能满足实际的性能要求，进一步，为实际操作与实际改进提供理论依据。

［1］ 吴迪.宽光谱大视场航空相机无限远目标模拟系统设计［D］.长春：长春理工大学，2012.

［2］ 黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench超级学习手册［M］.北京:人民邮电出版社，2013.

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

［4］ 牟伟杰，杨俊智，陈建业.基于ANSYS Workbench的电源车骨架的模态分析［J］.科学技术与工程，2010，10（22）：5592-5594.

［5］ 安志勇,付饶.航空相机地面景物模拟系统研究［D］.长春：长春理工大学，2010.