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空间CCD相机的结构设计改进与动力学分析

作　者: 刘阳
导　师: 熊望娥
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 空间CCD相机结构优化设计有限元法动力学分析
分类号: V445.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

空间CCD相机是一种应用于空间环境的精密光学仪器,主要功能是获取地面和高低空运动物体的影像。它可以在短时间内获得宽正面,大纵深的图像信息。它的研制对增强我国的国防实力有重要意义.本文研究CCD相机在恶劣的振动力学环境下,如何使空间CCD相机的结构设计满足质量轻,机械结构的刚度、强度合理,相机的性能稳定的要求是本文研究的主要内容。1)围绕空间CCD相机的设计技术要求,本文在相机的结构设计过程中完成了以下工作:(a)通过对星载空间相机常用材料的性能分析比较,合理地完成部件结构的材料选择,为达到轻量化的设计要求奠定基础;(b)应用有限元分析方法,对相机关键部件——主镜筒和支架进行了优化设计;2)在该相机精确CAD模型的基础上,对CCD相机进行了简化造型。利用简化后的模型建立了整机的有限元模型,完成了该相机结构动态特性分析计算。主要工作包括:(a)对相机结构进行适当的简化,并建立了整机的有限元模型;(b)完成该相机在加速度过载下的准静态分析,得出相应的变形和应力值;(c)完成该相机的模态分析,得出前10阶固有频率,并给出前4阶振型;(d)完成该相机的正弦振动分析计算,得出相应的响应曲线、最大值以及所发生位置;(e)完成该相机随机振动的响应计算,得出相应的响应曲线响应最大值所在的位置。研究结果表明:1)本文通过对初始设计方案中的主镜筒和支架改进,使其具有更好的刚度,能够更好的保证光学元件的稳定和相机的成像质量;2) CCD相机的基频较高,发射时不会与卫星的振动频率耦合而产生共振;3)通过对准静态的加速度过载分析和动力学分析(正弦振动和随机振动),表明相机的刚度较大,在试验要求的频率范围内响应较小,性能稳定,能够抵抗发射过程中的振动境载荷的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-20
  1.1 空间CCD相机的概况  12-14
  1.2 CCD相机发展趋势  14-15
  1.3 空间相机结构设计所需解决的关键问题  15
  1.4 计算机仿真在航天航空领域的应用  15-16
  1.5 动力学环境仿真目的和内容  16-17
  1.6 动力学环境仿真方法  17
  1.7 课题来源和研究意义  17-18
  1.8 本文的研究内容  18
  1.9 本章小结  18-20
第二章空间相机力学环境  20-26
  2.1 力学环境概述  20-22
    2.1.1 静力学环境  20
    2.1.2 动力学环境  20-22
  2.2 振源与振动环境效应分析  22-24
    2.2.1 振源分析  22-23
    2.2.2 振动环境效应  23-24
    2.2.3 动力学响应的评价指标  24
  2.3 空间相机的力学环境试验条件  24-25
    2.3.1 加速度过载试验条件  24
    2.3.2 正弦振动试验条件  24-25
    2.3.3 随机振动试验条件  25
  2.4 本章小结  25-26
第三章有限元法和分析软件平台  26-38
  3.1 有限元法  26-35
    3.1.1 有限元法的基本思想  26
    3.1.2 有限元法分析问题的基本步骤  26-28
    3.1.3 动力分析的基本方程  28
      3.1.3.1 动力分析基本概念  28
      3.1.3.2 动力分析的基本方程  28
    3.1.4 模态分析  28-31
      3.1.4.1 模态分析的概念  28
      3.1.4.2 模态分析的理论  28-30
      3.1.4.3 计算主模态的理由  30
      3.1.4.4 特征值计算方法  30-31
    3.1.5 正弦振动分析及响应方程  31-32
      3.1.5.1 正弦振动分析概述  31
      3.1.5.2 直接频率响应分析  31
      3.1.5.3 模态频率响应分析  31-32
      3.1.5.4 模态法与直接法的比较  32
    3.1.6 随机振动  32-35
      3.1.6.1 随机振动的统计学基础理论  32
      3.1.6.2 随机过程  32
      3.1.6.3 时间平均与自相关函数  32-33
      3.1.6.4 随机振动激励的功率谱密度和均方值  33-34
      3.1.6.5 随机振动响应的功率谱密度和均方值  34-35
  3.2 分析软件平台  35-36
  3.3 本章小结  36-38
第四章空间相机的结构设计改进  38-50
  4.1 机械结构的材料选择  38-39
  4.2 相机的结构初步设计方案及组成部件  39
  4.3 相机镜筒的优化设计  39-43
    4.3.1 主镜筒的初始方案  39-41
    4.3.2 主镜筒改进方案  41-43
    4.3.3 主镜筒改进前后分析数据对比  43
  4.4 相机支架的优化设计  43-47
    4.4.1 相机支架的初始方案  43-45
    4.4.2 支架改进方案  45-47
    4.4.3 支架改进前后分析数据对比  47
  4.5 相机的整体结构确定  47-48
  4.6 本章小结  48-50
第五章空间相机准静力学分析  50-56
  5.1 空间相机有限元模型的建立  50-52
    5.1.1 空间相机有限元建模的原则  50-51
    5.1.2 单元的选取  51
    5.1.3 网格的划分  51
    5.1.4 约束  51-52
  5.2 载荷  52
  5.3 查看分析结果  52-55
    5.3.1 工况1响应汇总  52-53
    5.3.2 工况2响应汇总  53-54
    5.3.3 工况3响应汇总  54-55
  5.4 本章小结  55-56
第六章空间相机动力学分析  56-68
  6.1 模态分析  56-57
  6.2 空间相机的正弦振动分析  57-63
    6.2.1 正弦振动分析方法选择  57-59
    6.2.2 正弦振动计算结果分析  59-63
  6.3 空间相机随机振动分析  63-67
    6.3.1 随机振动分析输入条件  63-64
    6.3.2 随机振动结果分析  64-67
  6.4 本章小结  67-68
第七章总结  68-70
  7.1 结论  68
  7.2 设计方案的进一步改进建议  68-69
  7.3 不足之处  69
  7.4 后续工作  69-70
参考文献  70-74
发表论文目录  74-76
致谢  76

空间CCD相机的结构设计改进与动力学分析

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