大视场空间相机轻型遮光罩的研制

空间相机遮光罩既能遮挡杂光进入相机镜头,又可利用遮光罩长度和遮光罩内的光栅及表面材料特性,吸收已进入遮光罩的杂散光,能够保证相机获得较高的信噪比。具有优良性能指标的碳纤维复合材料应用于空间相机中能够满足空间相机的结构设计指标,并能大大降低相机的重量。针对某空间相机进行了遮光罩的设计,通过利用有限元模拟仿真分析与试验验证相结合的方法,验证了碳纤维作为遮光罩材料的可行性和是否能够提高光学系统的信噪比。结果表明,碳纤维复合材料应用于空间相机遮光罩的设计是完全可行的。     

板状材料上加强筋的几何形状对兰姆波透射特性的影响

为研究板状材料上加强筋结构对兰姆波透射特性的影响,通过有限元仿真和实验的方法,结合兰姆波频散曲线和二维傅里叶变换分析方法,研究了不同几何形状的加强筋结构对兰姆波垂直入射时的透射特性。仿真与实验的结果表明:加强筋结构会对兰姆波产生梳状滤波器效应,即同一几何形状的加强筋对不同频率的兰姆波透射程度不同;梳状滤波器的通带带宽和通带个数受到加强筋几何形状的影响;随着加强筋高度的增加,梳状滤波器的通带带宽变小且通带个数增加;随着加强筋厚度的增加,梳状滤波器的通带带宽和个数并不呈现单调变化;对于同一高厚比的加强筋,随着加强筋体积的变大,梳状滤波器的通带宽变小且通带个数增加。该研究结果可用于指导利用兰姆波对具有加强筋结构的板状材料进行结构健康监测和无损检测时兰姆波有效频率的选择,从而提高兰姆波能量的利用率和信号的信噪比。     

空间光学遥感器遮光罩结构方案选择

利用有限元工程分析技术对空间光学遥感器的遮光罩结构方案进行了选择。应用MSC.Patran/Nastran软件对遮光罩进行了模态分析,应用TMG软件对遮光罩进行了热分析。根据模态分析和热分析的结果对遮光罩材料的铺层方式、遮光罩的结构形式和遮光罩的长度进行了优选。结果表明,[-45°/90°/45°/0°]s交叉对称铺层方式、一条轴向筋和1mm厚度、200mm长度的四棱台式遮光罩的结构方案是合理可行的。其结果为遮光罩的结构设计提供了必要的指导。     

空间高分辨率CCD相机次镜支架最佳结构设计

根据某空间高分辨率CCD相机的结构设计方案,利用结构设计软件Solidedge建立了次镜支架的结构分析模型,并利用有限元分析软件Vnastran对不同结构和尺寸的次镜支架进行了动力学分析计算,提出了次镜支架的鼓型偏置式四翼梁结构.该结构具有较高一阶谐振频率和良好的机械加工性能,特别适合用于大口径的空间相机中.     

基于地-气间辐射模型的航天相机自动调光系统

在航天相机的成像过程中,拍摄场景的亮度随着地表目标和大气环境的变化而发生改变,为了保证航天相机输出理想的图像,提出了基于地-气间辐射模型的航天相机自动调光方法。根据地-气间辐射传输特性建立航天相机入瞳处辐照度模型,通过分析大气气溶胶对遥感成像的影响,对该模型进行了改进,并在此基础上提出了航天相机自动调光方法。航天相机自动调光首先根据总辐照度以及地面目标辐照度占总辐照度的比例对自动调光参数进行调节,目的是尽可能提高地面目标信息量,然后根据大气气溶胶光学厚度确定自适应拉普拉斯滤波的参数,增强遥感图像的细节。由实验结果可以看出,自动调光增加了遥感图像的信息量,增强了图像对比度,航天相机的成像质量得到了明显地提高。     

遮光罩内壁蜂窝结构单元的双向反射特性

内壁蜂窝结构是决定遮光罩杂散光抑制性能的主要因素,掌握其各向异性辐射传输特性对遮光罩的杂散光分析和优化设计具有重要意义.针对蜂窝结构单元,建立辐射传输模型,导出了表面双向反射分布函数的离散表达式;通过蒙特卡罗法模拟蜂窝结构单元的辐射传输过程,分析了几何参量和涂层反射率对等效面反射特性的影响;根据模拟所得双向反射分布函数数据库,建立了用于遮光罩杂散光分析的蜂窝结构等效面的反射特性概率模型.分析结果表明,蜂窝结构对杂散光呈现很强的后向散射特征,等效面的反射特性概率模型与直接模拟结果符合很好,可用于遮光罩杂散光分析和设计.     

高分七号相机遮光罩展开状态红外感知系统

遥感卫星分辨率日趋精细,相机口径不断增大,受限于运载器直径对刚性遮光罩系统尺寸约束,柔性展开遮光系统在遥感器上逐渐应用,空间柔性展开结构在轨工作状态对于主任务判定有重要作用。报道了一种展开状态红外感知系统,应用于我国高分七号相机遮光罩系统在轨展开状态监测。首先介绍了高分七号双线阵相机及其遮光罩系统设计,分析了展开状态红外感知功能的特殊要求和约束。提出了一种利用"豆荚杆"作为传输通道的基于红外光线传输阻隔特性的新型展开状态感知方法,系统包含了红外光线产生系统与接收系统,采用红外光线产生系统发射的890 nm波段光线作为信息载体,经空间柔性展开结构"豆荚杆"通道后由红外光线接收系统转换为电信号,通过对电信号处理得到柔性结构展开状态信息。系统具有无动作机构部件、无较大能量消耗及数据带宽要求小等优点,对原有展开过程基本不产生影响。通过理论分析证明了该方法的可行性,试验验证了该方法中红外光线产生系统光功率、红外光线接收系统光电晶体管阵列上拉电阻以及工作温度等参数对展开判定准确性的影响。通过试验得到,现有展开状态红外感知系统的红外光线产生系统光功率参数大于25 mA、红外光线接收系统上拉电阻特征参数大于15 kΩ是系统工作的理想包络。在温度交变环境下,当红外光线接收系统上拉电阻特征参数不大于50 kΩ时,展开状态红外感知系统在125℃以下温度环境中能够有效的判定遮光罩系统的状态参数。为同类型柔性遮光罩系统监测方案设计及在轨温度交变环境下应用策略提供了试验数据基础,具有广泛前景。     

遮光罩内壁蜂窝结构单元的双向反射特性

内壁蜂窝结构是决定遮光罩杂散光抑制性能的主要因素,掌握其各向异性辐射传输特性对遮光罩的杂散光分析和优化设计具有重要意义.针对蜂窝结构单元,建立辐射传输模型,导出了表面双向反射分布函数的离散表达式;通过蒙特卡罗法模拟蜂窝结构单元的辐射传输过程,分析了几何参量和涂层反射率对等效面反射特性的影响;根据模拟所得双向反射分布函数数据库,建立了用于遮光罩杂散光分析的蜂窝结构等效面的反射特性概率模型.分析结果表明,蜂窝结构对杂散光呈现很强的后向散射特征,等效面的反射特性概率模型与直接模拟结果符合很好,可用于遮光罩杂散光分析和设计.     

具有蜂窝内壁的遮光罩杂散光抑制特性分析

将具有蜂窝内壁结构的遮光罩内的杂散光传播分解为蜂窝结构的散射、内壁等效面传播两个层次的行为。通过建立蜂窝结构的等效面各向异性反射模型,采用蒙特卡罗法模拟获得内壁等效面的双向反射分布函数(BRDF)。以此为基础,再次采用蒙特卡罗法模拟遮光罩内壁等效面的杂散光传播过程,分析了该类遮光罩的杂散光抑制特性,并讨论了蜂窝高度和涂层反射率的影响。结果表明,遮光罩内壁蜂窝结构有很好的杂散光抑制作用;蜂窝高度与边长之比δ≥1时,遮光罩的抑制能力不再变化,降低涂层反射率能够有效地增强抑制效果。     

星载TDICCD界面颤动的动力学模型及共振点扫描研究

简要分析了高分辨率星载遥感TDICCD相机的成像原理,研究了基于混合界面颤动的星载遥感TDICCD相机动力学分析模型.结果表明:星载遥感TDICCD相机对地观测时,载体部件的运动使相机产生振动响应,该响应会对成像质量有影响;对星载TDICCD相机进行了共振点扫描试验,试验测量了多点的加速度信号,并用信号分析仪进行了数据处理,获得了星载遥感TDICCD相机共振点扫描结果.这些动态特性结果为星载遥感TDICCD相机的防振、隔振设计提供了参考.     

大型离轴三反空间相机前框架优化设计与试验

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度,针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点,设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构,并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机,并对整机进行有限元分析.结果表明,光轴呈水平状态,次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″,次镜相对于主镜的偏心为0.021mm,均在光学系统公差要求范围内.此外,对前框架结构进行自由模态分析与试验,结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.     

FREE VIBRATION ANALYSIS OF BAFFLED LIQUID-STORAGE TANKS BY THE STRUCTURAL-ACOUSTIC FINITE ELEMENT FORMULATION

In fluid-structure interaction systems, baffles as a dynamic damping device are being widely used to suppress the fluid sloshing motion. Meanwhile, natural and dynamic behaviors of such systems are significantly influenced by the baffle parameters, such as the baffle number, the installation location, the inner-hole diameter and the liquid fill height. This paper intends to numerically investigate the parametric eigen characteristics, by the coupled structural-acoustic finite element method (FEM), of baffled cylindrical liquid-storage tank. According to the symmetric two-field formulation, a test FEM program is developed, in which the reduced integration for avoiding the shear and membrane locking and the modified shear correction factor as well as degenerated 8- and 6-node shell elements and 3-D trilinear acoustic elements are used. Through the comparison with the available analytic solutions of no-baffled axisymmetric tank, the validity of the test program and theoretical work is verified. Next, with the verified test FEM program, various combinations of major baffle parameters are intensively examined, in order for the parametric baffle effects on the natural frequency of baffled tanks.     

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通过计算得出EAST快动探针交换装置所用材料的理论厚度,运用CATIA绘图软件建立交换装置4mm盒形和筒形结构设计模型。将模型导入ANSYS软件进行前期处理和网格划分,运用有限元法对模型进行整体强度分析,获得了最大应力和应变数据。通过增加设计壁厚,建立了5mm不带加强筋筒形和盒形结构进行了有限元分析。通过对分析结果的优化和比较,得到5mm筒形不带加强筋方案的最大应力和应变最小,结构设计最优。最后,对模型制造了预研件并进行真空捡漏测试,测试结果满足设计要求。     

Vibration of moderately thick square orthotropic stepped thickness plates

Numerous studies that address the vibration of stepped thickness plates are reported in the literature. Predominately, classical plate theory has been used to formulate studies for both isotropic and anisotropic stepped plates. Mindlin plate theory has been employed to obtain results for thick isotropic stepped thickness plates. Exact solutions, Rayleigh-Ritz, differential quadrature and finite element methods have been employed to compute results for frequency of vibration. Results for frequency of vibration for thick orthotropic stepped thickness plates are presented here using orthorhombic material properties of aragonite. The finite element method has been used to compute frequencies and determine mode shapes for simply supported and clamped square Mindlin plates.     

A numerical study of the effects of the vertical baffle on liquid sloshing in two-dimensional rectangular tank

The liquid sloshing in a moving partially filled rectangular tank with a vertical baffle is investigated. A numerical algorithm based on the volume of fluid (VOF) technique is used to study the nonlinear behavior of liquid sloshing. The numerical model solves the complete Navier–Stokes equations in primitive variables by using of finite difference approximations with the moving coordinate system. The ratio of baffle height to the initial liquid depth has been changed in the range of 0≤h_B/h≤1.2. The critical baffle height to reach the roof of the tank and the baffle height beyond the liquid does not get over the baffle anymore have been investigated. The vortex originated by the flow separation from the baffle tip became weaker with increasing the baffle height. In order to assess the accuracy of the method used, some results with baffle height are compared with the experimental results. Comparisons show good agreement for slosh loads in the cases investigated. The free surface elevation and the time variations of pressures have been also presented.     

考虑铺层角的复合材料圆柱壳自由振动三维弹性准确解

为了获得任意角度铺层的多层复合材料圆柱壳的自由振动准确解,在三维弹性理论的基础上,结合分层理论和状态空间法,建立横向位移和应力的传递矩阵,轴向和环向位移采用双螺旋模式的位移函数,对任意角度铺层复合材料圆柱壳简支边界条件下的自由振动进行了理论推导,得到了自由振动方程的精确形式。与文献理论解和有限元计算结果对比,结果表明,关注频率在2倍的环频率以下时,薄壳的固有频率计算精度能控制在1%以内,厚壳的固有频率计算精度能控制在2%以内。对于厚壳的计算可将壳体沿厚度方向划分为多层来处理,这样能有效提高计算精度。计算分析了铺层角对壳体固有频率的影响,环向模态数较低时,固有频率随着铺层角的增加呈抛物线变化趋势;环向模态数较高时,固有频率随着铺层角的增大单调递增。该理论方法同样适用于均质各向同性壳和正交各向异性圆柱壳。     

平面声波由空气经加肋板向水中传输的数值计算研究

采用有限元法和边界元法计算研究了平面声波由空气经加肋板向水中的声传输。数值计算表明:板的刚度对声传输的影响只有在板的刚度较大时才是重要的,当板的刚度较小时,空气和水之间的声阻抗失配对声传输起支配作用;板厚或肋骨惯性矩的变化会引起结构传声损失曲线上隔声低谷位置的变化;增大板厚或肋骨惯性矩可增大结构的传声损失,特别是当激励频率低于结构基频时,可通过增大板厚或肋骨惯性矩来增大结构刚度进而明显增大结构的传声损失。     

炸药落锤实验及样品厚度效应的三维数值模拟

为了研究落锤实验中炸药的概率点火行为以及试样厚度对点火的影响,对脆性炸药PBX-2的落锤实验开展了三维数值模拟。采用有限元与离散元相结合的方法,并考虑了炸药材料的非均匀性,获得了炸药在不同落高下的点火概率分布,落高计算结果与文献报道的实验结果相符。此外,研究了落锤实验中试样厚度对炸药温升过程及点火阈值的影响,拟合得到了压力峰值和点火阈值随试样厚度变化的估算公式,可以为实验设计提供参考。