Ansys Zemax | 使用软件建立立方体卫星系统（三）

详解 立方星光学机械结构的Ansys有限元分析与OpticStudio集成：构建与等多个层次的优化

随着空间技术的快速发展，立方星（CubeSat）成为了研究与应用的热点。为了高效评估并优化立方星的设计性能，设计人员通常需要利用先进的模拟工具进行全方位的性能评估。本文将深入解析如何将使用的OpticsBuilder构建的光机械结构模型导入ANSYS SPACECLAIM，随后在ANSYS MECHANICAL中准备模型进行有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）并分析结果。本文作为系列的第三部分，旨在为您呈现这一流程的完整框架，从模型准备到分析结果解读的每个细节。

一、模型的转化与简化

开始于OpticsBuilder中的光机械结构设计，通过Creo软件的步引入ANSYS SPACECLAIM，其目的是降低模型的复杂性，通过简化几何形状，优化后续分析的工作流程。这一过程涉及到删除不必要细节，多出侧板与细小组件的移除，确保ANSYS MECHANICAL分析模型的针对性与高效性。




图1：ANSYS MECHANICAL中的简化模型示例，清晰呈现了经过优化后的几何结构。

二、材料定义与装配

为了实施有限元分析，准确的材料定义至关重要。本文中采用了特定化学成分（低热膨胀系数（CTE）铝板如AlMS40Si双层结构、以及碳纤维增强的聚合物框架）、殷钢计量杆和假设的PCB板图像传感器，提供模拟基于理论假设的特定环境条件。图2直观展示了这些材料在设计中的装配布局。

三、机械连接与网格构建

连接方式的设定基于实际的机械约束（弹簧螺栓与固定挡块、殷钢计量杆与立方体卫星框架的关联等），这里采用Ansys中的“No Separation”连接方式以简化模拟过程。网格构建则重点于关键组件如反射镜，确保具有足够精细度（每个像面至少10000个节点），以在OpticStudio STAR模块内达到良好拟合质量。图6与图7展示详细网格结构。

四、载荷与边界条件

载荷考虑聚焦于热膨胀（基于元件的热膨胀系数TCE）与温度变化，设定立方体卫星在近地轨道运行过程中的工作范围（15°C ± 3°C）。在ANSYS Mechanical内，内容设计了温度定义，图8呈现具体温度设置描述。

五、仿真准备与实现

为了实现整体性的分析准备，组件通过Remote Displacements组合保持固定，符合航天结构实际模拟要求。针对立方体卫星在地面组装与轨道上的差异载荷（引力、大气压与真空环境），进行了额外的FEA分析，最终证明在主要分析中压强和重力的影响微乎其微。

六、FEA结果解析

完成初步准备后，通过ANSYS MECHANICAL执行FEA分析，图11与图12显示结果数据的可视化。最低工作温度12°C的分析揭示了主要形变机理（铝基板CTE导致的影响）、框架的变形与Z轴位移分量。

七、数据分析导出及应用

最终，基于Ansys ACT扩展程序，实现了FEA数据至OpticStudio STAR模块的无缝转换，为工程设计阶段提供了实时的反馈与优化建议。

结论

本文详细阐述了从设计建模到有限元分析、最后至性能评估的立方星光学机械结构设计全流程。通过这种方法，设计人员能够有效识别并优化潜在的力学及热力学挑战，进而构建更高效率、更可靠的立方星系统，为未来的太空任务奠定坚实基础。

参考文献 提供了技术材料的来源，包括光学设计在立方星应用方面的研究与铝合金材料应用在光学与电子领域的资料，为本文的技术解析与案例研究提供了理论支持。

面向实践的任务与挑战：立方星光学机械结构设计的 AnsysOpticStudio 集成

随着 立方星（CubeSat）技术的迅速发展，对于更高效、精确的设计与性能预测的需求日益增长。本篇 技术性综述 将聚焦于 ANSYS SPACECLAIM 整合到 ANSYS MECHANICAL 与 OpticStudio STAR 模块的整个流程，详细阐述如何从 OpticsBuilder 开始，构建光机械结构模型，到在 ANSYS 平台上进行有限元分析（FEA），直至将 OpticStudio STAR 模块中进行进一步的光学分析与性能调整。当前文章作为对 立方星光学机械设计的关键步骤 的深入探讨，旨在展示一种综合性的、高度集成的工程分析框架。

模型构建与简化

首先，设计团队需要使用 OpticsBuilder 完成 立方星 的初始设计与机械结构的构建。该平台提供强大的光学设计工具，使工程团队能够详细设计并模拟光学组件的行为。借助 Creo 作为转换工具，设计模型以 STEP 文件格式导出至 ANSYS 的 SPACECLAIM，这一过程不仅减少模型复杂性，还为后续的有限元分析做好准备。

ANSYS软件应用：从几何准备到材料定义

在 ANSYS MECHANICAL 中，设计团队下一步将模型简化后的几何结构导入，并针对结构分析进行关键部分的选择与细节删减，比如删除不必要的侧板与支撑组件。这里的关键是从机械分析的角度优化模型，以最大化分析的准确与效果效率。材料定义环节则根据 试验分析 或设计规范，选择合适的材质属性，如铝、碳纤维增强聚合物、殷钢等，用于模拟真实应用环境下的传热、力学反应等特性（图2）。

实现机械连接与生成高质量网格

设置机械连接时，如 弹簧螺栓 与固定挡块、 殷钢 计量杆与立方体框架的连接等内容，通过使用 ANSYS MECHANICAL 中的特定连接组件（如“No Separation”连接）简化分析过程。网格构建阶段则重点关注关键组件，如确保 反射镜 模型具有足够的节点密度（每个像面至少10000节点）以适应更高精度的 OpticStudio STAR 表面调整与优化（图6与图7）。

考虑空间环境变化与载荷模拟

分析的过载点在于温度中心（包括热膨胀模型模拟、离散温度条件与热管理系统的预测），温度设定（如15°C ± 3°C范围）反映了卫星实际在近地轨道的运行环境（图8），也涉及到使用标记有偏置中心的模型来进行 FE 分析。边界条件定义指出了传感器平面的位移限制与固定区域旋转约束，确保模型精确反映了物理世界的限制（图9）。

验证模型准确性的压差感测与重力效应分析

为了进一步验证模型模拟的可靠性，进行额外的载荷影响分析，差异包括地球的引力、大气环境与真空状态（图4与图13）。通过比较两种压差分析与重力分析的结果，可直接评估这些因素对预期 形变 的影响程度，确保模型在真实应用中的准确性。

结果解析与OpticStudio的深度分析

最终，在 ANSYS Mechanical 中执行的 FE 分析结果（包括最低工作温度12°C下 形变数据 的详细解读（图10）、框架的变形展示（图11）等）为设计的优化提供了关键依据。借助 OpticStudio 可导出至 STAR 模块的兼容数据导出功能，设计团队能获得全面的反馈，用于进一步的光学设计与整合，实现实验室到太空应用的无缝过渡。