基于相同参数抛物镜面旋转阵列的太阳能槽式聚光器聚焦特性研究

针对吉林一号某轻型空间遥感相机的任务需求，以碳纤维复合材料的薄壁筒与桁架杆一体式成型为设计思路，基于拓扑优化、尺寸优化以及铺层优化设计了一种高稳定性的次镜支撑结构。工程分析和实验结果表明一体式碳纤维次镜支撑结构具有较好的结构稳定性，整体质量仅为1.3 kg,其在轨成像质量良好，这进一步验证了一体式碳纤维次镜支撑结构的可靠性和设计方法的正确性。     

大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法

介绍了一种大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法,该方法是一种理论性强、效率高的新型轻量化优化设计方法。采用变密度法建立连续体结构拓扑优化数学模型,利用OPTISTRUCT优化软件,以主反射镜光轴垂直时在自重作用下的镜面变形与第一阶自然频率作为约束,将主反射镜体积最小作为目标函数进行了连续体拓扑优化。依据优化的拓扑结构形式,结合结构力学及灵敏度分析得到了满足镜面面型、结构刚度及轻量化率要求的最佳主反射镜轻量化结构。     

空间相机主支撑结构优化设计方法的研究

描述了空间相机运载发射及在轨运行阶段经历的力学和热环境,提出空间相机主支撑结构优化设计方法,用有限元分析法对卡塞格林和TMA两种具体空间相机光学系统主支撑结构进行了优化设计。对拓扑优化前后分析结果进行比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41Hz提高到72Hz,重量降低15%;TMA光学系统主支撑结构一阶固有频率不变,重量降低35%。结果表明,采用此优化设计方法不仅缩短了设计周期,而且有效地降低了支撑结构重量,提高了主支撑结构的性能,满足系统设计要求。     

Ф210mm超薄超轻SiC反射镜多目标集成优化设计

为了提高轻小型碳化硅反射镜的面形精度并减轻其加工成本,针对某空间相机的Φ210mm SiC反射镜进行超轻量化设计.采用背部三点支撑并优化支撑点的位置,通过拓扑优化,得到反射镜背部需保留和可去除材料的分布情况.结合背部开放式、三角形孔的轻量化方案,确定反射镜轻量化结构的初始模型.应用多目标集成优化方法,建立以反射镜重量和X向自重工况面形为目标,Z向自重工况面形值为约束的优化模型,对该反射镜进行了优化设计.优化后反射镜的X向自重工况下RMS值仅为0.18nm,Z向自重工况下RMS值为2.38nm,重量仅为0.568kg,面密度达到16.9kg/m~2,X、Y、Z三向基频都在500Hz以上.本文设计的反射镜结构有良好的力学性能,本文优化设计方法是合理有效性.     

以PV值为优化目标的光学系统支撑结构（英文）

光机系统中支撑结构与光学元件的接触位置、接触面积、接触应力及支撑结构的柔度是光学系统成像质量的重要影响因素,为了降低因垂直方向支撑引起的几何像差,以像差指数PV值为优化目标,对单个透镜接触支撑结构进行了拓扑优化设计。首先建立接触拓扑优化模型,以采用Signorini接触条件建立的刚性支撑单向接触中的线弹性结构为例,验证了接触拓扑优化模型的正确性。用透镜变形函数来描述透镜的像差指数PV值,将其作为拓扑模型的优化目标。采用SIMP方法描述拓扑优化设计变量,采用扩展后的拉格朗日算子求解接触条件。采用MMA优化算法求解拓扑优化模型的最优解。通过拓扑优化设计变量的最优解,定义了满足几何畸变要求的支撑结构的最优拓扑结构。结果表明,该方法可使透镜PV值降低14%,面形RMS值降低13.8%。同时搭建实验平台,对透镜PV值和RMS值进行测试,得到的最佳接触支撑结构的支持试验结果表明,平面反射镜表面PV值分别降低了60.4%和42.9%,面形RMS值分别降低了74.3%和38.9%,优化后的接触支撑结构有效地提高了高精度单透镜支架的精度,具有很大的实际应用潜力。     

基于低体分SiC/Al主镜框的空间相机主支撑结构热特性分析与验证

基于微小卫星平台对高分辨相机的重量约束,以高分微纳卫星CX6-02数字超分辨相机研制为例,提出一种基于低体分SiC/Al主镜框的空间相机主支撑的结构形式,并开展主镜框一体拓扑优化设计分析和试验验证。Zernike多项式计算及光机热集成仿真结果验证了低体分SiC/Al主镜框作为空间相机主支撑结构的有效性。热光试验数据及在轨成像结果表明,兼具主支撑功能的低体分SiC/Al主镜框的空间相机试验数据与仿真数据基本吻合,且性能稳定,可为未来采用低体分SiC/Al主镜框作为主支撑的航天相机轻量化设计和研制提供理论与技术参考。     

空间同轴反射式次镜支撑结构优化设计与实验验证

根据传统同轴反射式次镜支撑结构特点,建立了以传统次镜支撑结构外包络为基础的次镜支撑待优化模型,并采用变密度拓扑优化方法对该模型进行优化设计.根据拓扑优化结果设计了遮拦比为0.085的同轴反射式次镜支撑结构.有限元仿真结果表明:在结构遮拦比、质量相同的情况下,优化后同轴反射式次镜支撑结构的结构基频和结构刚度相较于传统三翼和四翼结构均有显著提高.加工了优化后的次镜支撑结构,并进行了随机振动试验.试验结果表明:优化后的次镜支撑结构基频为470 Hz,与有限元仿真结果477Hz的相对误差在2%以内,验证了有限元计算模型的可靠性和真实性.该次镜支撑结构适用于需要较低遮拦比和较高刚度的同轴反射式光学系统中.     

外遮光罩工程分析及其结构动力优化

本文利用有限元方法对某遮光罩进行了静力、动力及热应力分析,提出了改善遮光罩瓶颈环节的有力措施-结构优化设计的最大刚度化。本文以结构基频的最高化为优化目标函数,对遮光罩进行了动力优化设计,设计结果对遮光罩的基频有一定的提高,并降低了遮光罩在发射升空过程中的最大冲击应力。     

球形发射换能器多目标优化设计

为了解决球形发射换能器多约束条件下的离散/连续变量混合型非线性多目标优化问题,基于等效电路理论,建立了球形换能器的电学-力学-声学耦合模型,以辐射声源级、输入电功率和质量为优化目标函数,材料属性参数、结构尺寸参数、工作频率范围和输入电压为设计变量,压电陶瓷电退极化极限、结构强度极限、功率容量等物理特性以及设计变量取值等为约束条件,构建了球形换能器多目标优化数学模型;利用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了球形换能器多目标优化设计,获得Pareto前沿解集;并通过实验验证了优化结果的有效性。结果表明,采用多目标优化方法设计和制作的球形发射换能器样机,在满足辐射声源级要求的前提下,工作频率范围内输入功率降低了32.8%,质量减轻了27.4%。研究结果可为严苛条件限制下的发射换能器优化设计提供参考。     

超轻空间相机主支撑背板的优化设计

针对某空间相机超轻和高热稳定性的要求,设计一体化的背板结构,使得支撑背板既是整机主承力板,又是主反射镜支撑背板;采用具有高比刚度、高热稳定性的SiC作为背板材料,通过施加最小尺寸约束的变密度拓扑优化,确定支撑板背部筋的布置;建立以第二代非支配排序遗传算法为优化算法的多目标优化模型,集成反射镜面形误差和背板质量,完成背板的尺寸优化设计,背板质量仅为0.591 kg,筋厚的最小值为2.1 mm;最后利用有限元分析对优化结果进行动、静力学性能分析。结果表明:在5℃温升载荷下,反射镜组件镜面面形方均根为0.158 nm,具有良好的热稳定性;在X向重力载荷作用下(与光轴垂直方向/面形检测方向),镜面面形的方均根为1.169 nm,峰谷值为5.403 nm;反射镜组件的一阶固有频率为397 Hz,镜面边缘随机振动响应(RMS)小于16g,满足空间应用。