卫星相机快门装置的谐响应分析

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快门装置是卫星相机的关键部件，它起到控制曝光量和控制运动物体成像模糊量的作用1。卫星用快门装置不仅要保证其运行强度可靠性，而且要保证成像清晰，因此要求快门装置保持极高的运动精度。国外某公司设计的用于焦平面侦察相机上的快门装置，经实验验证曝光均匀度优于±8%且使用寿命超过 100万次121。某光机所设计了-种航空摄影快门机构，由高速电机控制盘片转速，避免了盘片发生撞击，提高成像质量和机构寿命目。运动精度和使用寿命是陕门装置的核心技术指标§门装置在随火箭发射过程中会经受复杂的力学环境，其在轨运行时也会受到外界产生的振动和变形的干扰。振动和变形的干扰不仅影蚌门装置的运动精度和稳定性，而且降低快门装置内零部件的耐用度进而降低整个快门装置的寿命。设法提高快门装置的动态性能，减少和避免振动的发生，保证快门装置的运动精度和寿命可靠性，是快门装置研制工作的-项重要内容。通过模态分析并且采用脉冲力锤法进行快门样机模态试验，得到了快门装置的前3阶固有频率和振型，如表 1所示。但是外力激励下各阶振型对快门装置振动的影响是不同的，对快门装置进行谐响应分析能更清楚地了解其在动态干扰激励下结构的抗振性能。

表 1快门装置前 3阶固有频率及振型Tab.1 Natural Frequency and Vibration Modeof the First 3 0rder Shutter Device2快门装置的有限元分析模型快门装置结构，如图1所示。

2.1模型导入快门装置结构比镁.复杂，直接应用有限元分析软件自带的建模工具进行建模非常困难。采用三维图形软件SolidWorks建立快门装置的实体模型，然后利用 SolidWorks和 ANSYS Workbench的接口，将几何模型转换为有限元实体模型。在转化过程中，所有结构之间的接触都被定义为默认的绑定(Bonded)接触方式 ，需要在ANSYS Workbench操作平台上将各结构的接触方式重新定义来稿日期：2012-09-14基金项 目：科技重大专项课题(2010ZX04008--041)作者简介：李世其，(1935-)，男，博士，教授，主要研究方向：虚拟仿真及虚拟样机；罗 彬，(1986-)，男，湖南衡阳人，工学硕士，主要研究方向：机械系统力学仿真分析132 李世其等：卫星相机快门装置的谐响应分析 第7期以模拟快门装置各结构实际接触情况。

241.慢盘 2.快盘 3.电机组件 4.底座图 1快门装置示意图Fig.1 Shutter Device Schematic Diagram2-2轴承建模在滚动轴承旋转过程中，轴承的滚珠与内外圈沟道的接触点及接触面积处于不断变化的过程中，由此产生了结构非线性。

若要精确地模拟轴承内部接触，只能通过大幅度细化轴承接触部位的网格及选择更复杂的接触算法来实现。但这样会导致计算规模剧增，计算效率大幅下降甚至计算无法收敛从而得不到结果。

在-些含有滚动轴承的复杂装配体中，关注的重点不在于轴承内部，轴承只起到支撑作用 ，在这样的情况下，可以对滚动轴承进行简化处理。在-些研究中，采用省略轴承滚珠，以圆环代替轴承目的方法，也有采用刚性的杆单元或弹簧单元来替代轴承滚珠的方法目，大量的研究表明，采用线性模型模拟轴承实际工作状态在-定程度上是可行的昀〖虑到快门装置中轴承刚度对其动态特性的影响，无论是采用圆环模型还是刚性杆单元模型均无法体现快门装置轴承实际的支撑特点，而弹簧单元模型能较好的模拟实际情况 ，故采用弹簧单元来替代轴承滚珠的简化建模方法。根据上述方法对轴承进行简化，如图2所示。(1)省略轴承的滚珠、保持架，只保留轴承内外圈的三维模型；(2)轴承内外圈之间用10个弹簧单元来模拟轴承的径向支撑作用，弹簧刚度值代替轴承径向刚度值。虽然用实验测量刚度的方法最准确，但是在很多分析中都是用经验公式来近似计算轴承刚度 。轴承的径向刚度可近似按如下经验公式计算 ： 2 17.7236x(Z2.D ) ( ) (1)” . 亏81n Ot式中：z 葭珠数目； -滚珠直径；0·接触角； -轴向预紧力。

选用的轴承为7001C，预紧力25N，按照公式(1)计算出 4.Sx107N/m，设置前后两个轴承各个弹簧单元的刚度为4.8xl07N/m。

###图2轴承简化模型Fig.2 Bearing Simplified Model弹簧单元设置完成后对有限元实体模型进行网格划分，根据谐响应分析的将 ，越均匀的网格划分能获得越准确的结果，故采用控制单元大挟分网格方式，单元边长为O.Olmm，有限元模型节点数 108326，单元数53876。得到有限元分析模型，如图 3所示。

图 3快门装置有限元分析模型Fig.3 The Shutter Defice Finite Element Anysis Model3快门装置的谐响应分析谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按简谐规律变化的载荷时稳态响应的-种技术1q。在 ANSYS Workbench分析软件平台上，采用完全法对决门装置的有限元模型进行谐响应分析求解。求解条件如下：根据快门装置工况，谐响应力幅值为200N，沿虚拟轴 z方向作用于决门装置底座的底面(即快门装置和卫星相机的安装面)，根据模态试验中结果 ，快门装置结构的阻尼比设为 0·05o1，求解频段设为(0～200)Hz，载荷步长为 4Hz，在该频段内可得到50个谐响应解。整个陕门装置刚度最小的部位位于快盘和慢盘的外边缘，选褥盘和慢盘的通光孔外边缘中点作为考察点，如图 3所示§盘、慢盘外边缘点沿快门装置虚拟轴、Y、Z的位移响应曲线，如图4-图 6所示。

频率(Hz)图4快盘、慢盘考察点沿 向的位移-频率响应曲线Fig.4 The Displacement-Frequency Response Curve of FastSlow Disk Along the X Direction频率(Hz)图5快盘、慢盘考察点沿 y向的位移-频率响应曲线Fig.5 Th e Displacement-Frequency Response Curve of Fast。

Slow Disk Along the y DirectionNo.7July.201 3 机械设计与制造 133l频率 (Hz)图6快盘、慢盘考察点沿 Z向的位移-频率响应曲线Fig.6 The Displacement-Frequency Response Curve of Fast，Slow Disk Along the Z Direction4结论(I)快门装置的-阶固有频率在 136Hz，二阶、三阶固有频率处考察点没有发生共振，这与模态试验结果基本-致，同时Y方向在 60Hz，96Hz也出现较大位移。因此，在陕门装置工作时应尽量避免外部激励频率落在以上频率附近。(2)快门装置沿y方向有[3]于春风，惠守文，丁亚林.-种航空摄影中心式快门机构：中国，20091-0217898.7[P]，2009。

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较大的位移响应，比z方向大-个数量级，比 方向大3个数量 [8]级。这是由快门装置结构原因造成的。Y方向为盘片厚度方向，其支撑形式为悬臂结构，该方向刚度轻 生较大位移Ⅱ向应。而z方向为简 的施打Ⅱ方向，故响直位移较 方向大。(3 的位移响应明显大于决盘边缘点，这是因为慢盘通光孔尺寸较快盘尺寸大，且慢盘上的加强筋数量较快盘少从而导致其刚度较低。(4)从响应位移数值来看，若不发生共振 ，y方向的响应在 10pm级，满足设计要求， 、z向的响应可以忽略不计。 。