大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

针对某1 m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求,设计了一种轻型分体支撑结构。首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发,综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料;然后以结构质量分数为约束条件,建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,得到了拓扑结果清晰的各分体结构最优传力路径;进一步对主支撑结构各部分尺寸进行二次优化,得到了各分体结构的最佳构型和最优设计尺寸。设计后的分体支撑结构总重为227.8 kg,轻量化率达到93.9%,满足了高轻量化和高刚度要求。有限元分析结果及力学样机试验结果表明:分体支撑结构满足遥感相机整机基频大于50 Hz的刚度要求,在升温5℃工况下反射镜变形在公差范围之内,完全符合卫星平台对光学载荷的要求;力学样机在振动实验前后反射镜组件相对偏移角度均不超过22″,具有较好的稳定性,证明了拓扑优化和尺寸优化方法的合理性和可行性。本文提出的分体支撑结构设计对大型空间离轴相机支撑设计具有较高的工程实践价值。     

空间微振动模拟平台优化

为了解决在轨光学载荷地面试验振源模拟难的问题,设计了一种基于并联机构的多维微振动模拟平台,能够有效复现空间微振动分布频率宽、振动量级小的特点。首先,利用虚功原理和牛顿-欧拉方程推导了系统固有频率解析式,并结合设计指标进行构型优化。然后根据最优构型进行结构设计和优化,使得平台固有频率满足5～250Hz的模拟带宽。最后,提出了一种基于传递函数的控制方法,验证了其正确性并对平台工作能力进行了求解。平台第6阶基频3.4Hz,第7阶基频356Hz,满足带宽要求;通过传递函数控制得到的输出与目标值之间最大误差为1.54%,说明该方法适用于平台的控制;上平台输出最大平动加速度为399.3mg,最大角度扰动为1 979.3μrad,满足指标要求。该平台具有模拟带宽大、高承载、振动量级小的特点,能够作为空间微振动地面试验振源模拟设备。     

一种垂直起降运载器支腿构型设计与尺度优化

实现垂直起降运载器可重复使用是大幅降低发射成本的重要途径.运载器在完成发射任务返回着陆场后,依次执行着陆支腿展开、锁定及落地缓冲以实现平稳软着陆.针对运载器着陆支腿构型,以图论分析为切入点,确立了多种单自由度支腿展开方案,依据基于动力学模型计算机构性能的评判指标,完成支撑构型方案优选.在此基础上建立支腿尺度参数化模型并推导着陆极限工况下的杆件受力方程,以支腿轻量化和改善铰链受力为目标,对支腿结构参数进行优化.最后完成了机构方案设计并对着陆支腿强度、模态及着陆性能进行分析.仿真结果表明,优化结果及力学性能满足工程使用需要.研究成果可为未来重复使用运载器的研制提供方案参考和技术支持.     

空间相机外遮光罩结构设计与优化

本文介绍了某空间相机外遮光罩的结构及其特点,选择以碳纤维复合材料和钛合金为主要材料进行了结构设计。探讨了基于有限元法的结构优化设计的理论和方法并对该外遮光罩进行了优化设计,以外遮光罩质量最轻为优化目标,选择遮光罩的径向厚度和光阑厚度为优化目标,以基频和自重变形为约束条件,进行了最优化分析。优化结果表明,在保证外遮光罩基频基本不变的情况下,相机外遮光罩的质量由7.2kg减少到4.4kg,减少了38.9%。最后用有限元法对优化结果进行了静力学和动力学校核,结果比较理想,满足设计要求,已经应用于生产。     

基于碳纤维框架天基目标探测二维跟踪转台结构优化

为满足某星载太阳辐照度光谱仪对太阳的跟踪指向技术要求,设计了一种二维转台系统。本文对该转台进行了结构的拓扑优化设计、有限元仿真及试验验证。首先,通过研究和比较现有的转台方案,确定以基本地平式作为转台的结构形式,选择性能优良的M55J碳纤维复合材料作为转台结构的主要材料,配合TC4镶嵌件来连接部件。根据拓扑优化结果和工程经验,分别完成了转台3个主要部件的蒙皮和加强筋结构设计,得到了总体尺寸为966 mm×400 mm×730 mm、质量为27.3 kg的转台框架。针对此结构进行有限元分析,得到转台整体基频为58 Hz,结构强度和刚度满足设计指标要求。最后,对转台初样进行了抗力学试验和热真空试验。试验结果表明,转台整体的一阶频率为53 Hz,正弦振动前后基频变化在2%以内,随机振动前后基频变化在4%以内,在真空环境中功能正常。该转台整体结构设计合理,性能稳定,能够满足设计指标要求。     

烟秆拔秆破碎机机架轻量化设计与动静态特性分析

研制了一种具有烟秆拔秆、输送和破碎抛送等功能的一体式烟秆拔秆破碎机,其机架是影响整机质量和功率消耗的关键部件之一。为减轻机架质量并分析其振动特性,以机架为研究对象,建立机架有限元模型,进行静应力分析及模态分析。在有限元分析基础上,采用拓扑优化和多目标优化的两级优化方案对机架进行轻量化设计,根据优化结果进行机架结构改进、样机加工和开展相应的振动特性验证试验。结果表明:优化后机架最大应力下降34. 22%,质量下降13. 09%;同时,优化后机架功率谱振幅峰值基频为11. 719 Hz,烟秆拔秆破碎机各部件工作时转速的激振频率均低于16. 33 Hz,远低于机架的一阶固有频率27. 591 Hz,机架不会发生共振,轻量化设计后的机架结构具有良好的可靠性。     

同轴轻型空间遥感器支撑桁架的设计与试验

为满足空间遥感器的高度轻量化要求,提高其结构的基频,减少100 Hz以下低频振动的影响,研究了高比刚度的轻型支撑桁架结构。针对同轴长焦距光学系统,基于三角形稳定的原理设计了一种6杆碳纤维复合材料桁架结构,并基于有限元法完成了其优化设计,使其质量降低了11%。为验证其可行性,研制了力学模拟件,进行了工程分析和动力学试验,并讨论了分析和试验的误差来源。分析和试验显示,模拟件的固有频率超过了120 Hz,表明所设计的支撑桁架合理可行,能够满足长焦距空间遥感器的使用要求。该结构在质量为13 kg的前提下,解决了目前该型遥感器基频较低的难题,该设计已成功应用于某相机结构中。     

一种复合材料杆架式支撑结构优化设计与试验

针对某卫星气瓶支撑结构无法满足卫星承载刚度要求的问题,提出一种优化方法,按照概念设计和详细设计两个阶段,对复合材料杆架式支撑结构的拓扑构型、几何参数以及碳纤维铺层角度开展协同优化设计;经过优化后的气瓶支撑结构重量为2.1kg,分别采用有限元法和模态试验法对优化后的结构进行考核验证;试验结果表明优化后的气瓶支撑结构一阶固有频率达到149.7Hz,与理论分析结果基本吻合,能够满足卫星总体对气瓶支撑结构基频不小于140Hz的刚度要求。上述结果验证了文中提出优化方法的有效性,为同类结构的优化设计提供了技术参考。     

改进蚁群优化组合方法在长缝光谱仪结构优化中的应用

根据世界空间紫外天文台（WSO／UV）中的有效载荷长缝光谱仪(Long Slit Spectrograph, LSS)的设计要求,建立了以结构频率要求为约束条件,以LSS主结构质量最轻为目标函数的LSS结构优化模型。采用ANSYS软件作为结构分析器;提出了一种新的更新蚁群路径信息的策略,并使用这种改进的蚁群算法（Ant Colony Optimization, ACO）作为优化器;构建了一个组合的结构优化方法。通过与ANSYS自带的零阶优化方法比较,这种组合方法的优化效果更好。应用这种优化组合方法对LSS主结构进行结构优化设计。经过优化计算,使主结构的质量相对于初始质量减少约25％,基频达到82.3Hz,满足了设计要求。组合方法结合了改进蚁群算法和ANSYS软件两者的长处,具有适应性广,优化能力强等特点,可应用于其它类似工程结构优化。     

机载光电平台内框架拓扑优化设计

为提高机载光电平台动态性能,减小振动环境对其成像质量的不利影响,采用基于变密度法的拓扑优化理论,以最小化合成柔度指数为目标函数,以基频不低于某值为约束条件,对光电平台内框架进行了拓扑优化设计,并对优化前、后内框架结构的刚强度及模态振型进行了对比分析,结果表明优化后内框架在减重8%的情况下静、动态特性均得到了大幅度提升,最大变形量由0.058 mm下降至0.016 mm,最大应力值由16.3 MPa下降至2.7 MPa,基频由131 Hz提高至213 Hz。在减小重量的同时有效地降低了结构的最大变形,提高了结构整机性能。最后通过振动试验验证了拓扑优化结果的正确性。这种拓扑优化技术将为以后光电平台的设计提供有效的帮助。     

基于HS-DOE法的钢铝混合摩托车车架性能分析与优化

为了快速评估和提高新型钢铝混合摩托车车架的安全性能,以某款钢铝混合摩托车车架为研究对象,采用HyperMesh软件对其进行性能分析与优化.建立钢铝混合摩托车车架有限元模型,研究钢铝混合摩托车车架在水平载荷、垂直载荷和坐垫载荷3种工况下的最大应力和最大位移.提出一种以Hammersley采样方法改进传统试验设计方法的哈默...     

电液半主动馈能悬架非线性建模与协调性优化

为了协调电液半主动馈能悬架的减振性能与馈能性能,建立了基于电液作动器的半主动馈能悬架的非线性模型,开展了力学特性试验,并采用最小二乘递推算法对系统模型进行了参数辨识。分析了电液作动器主要参数对悬架减振性能和馈能性能的影响,采用遗传算法对电液作动器主要参数进行了优化,并进行了台架试验。试验结果表明,频率2Hz、幅值30mm的正弦路谱输入下,优化后的电液半主动悬架簧载质量加速度降低22.23%,馈能功率提高40.51%,在保证满足一定的车辆乘坐舒适性和行驶安全性的要求下,悬架馈能性能得到明显提高。     

准基模纯风冷激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器

介绍一种纯风冷激光二极管泵浦的脉冲Nd∶YAG激光器,单脉冲能量250mJ,重复频率25Hz,脉冲宽度7ns,光光转换效率13.6%。激光器输出为准基模,垂直和水平方向的M2值测量结果分别为2.81和4.09。同样结构下将风冷系统换成风冷水冷结合方式,激光器脉冲能量345mJ,重复频率提高到50Hz,光光转换效率上升为15.2%。两种形式的激光器连续工作时间5min,并进行了高温+55℃和低温-25℃的环境试验。     

GMCU2060龙门加工中心横梁的结构优化设计

基于HyperMesh平台,采用密度拓扑优化方法,以应变能最小为目标,以体积分数、位移为响应建立结构拓扑优化模型,运用该模型完成GMCU2060龙门加工中心横梁横截面的拓扑优化设计,然后利用尺寸优化方法得到横梁的最优尺寸,建立横梁的三维模型,并对其进行动静态分析.分析结果表明：在最大位移几乎不变的情况下,改进后的横梁质量减少了7.5％,一阶固有频率由104 Hz提高到120Hz,满足设计指标要求.     

机轮螺栓力矩加载机构拓扑优化及瞬态分析

飞机机轮螺栓力矩是影响飞机起降的关键因素.研究设计了一种机轮螺栓力矩加载机构,并基于机构的理论危险工况,对其框架组件进行静力学分析.采用拓扑优化的方法对主要框架结构进行优化,并对优化后的框架组件进行静力学分析和两种工况下的瞬态动力学分析.计算结果显示,优化后的框架组件强度、刚度均满足要求,质量减少32.8％,为民航特种...     

基于拓扑优化的加工中心十字滑台结构设计

基于零件结构静态和动态性能及轻量化的总体设计目标,利用结构拓扑优化方法完成了立式加工中心十字滑台的结构设计,解决了零件结构静、动刚度不足问题及质量过重导致的机床加速性能不良等问题。首先,详细分析了十字滑台的工况。其次,针对同时满足十字滑台具有良好的静动态性能并减轻其质量的设计需求,采用结构的柔度最小和基频最大为目标函数以及体积比为约束的多目标、多工况的结构拓扑优化方法,进行了十字滑台的结构拓扑优化设计,获得了其结构构型。最后,分析并对比了十字滑台新结构和原有结构的刚度、固有频率、质量及机床加速性能,验证了新结构具有良好的性能。     

空间遥感器大口径反射镜的复合支撑结构

针对空间遥感器反射镜对支撑功能的需求,设计了一种应用于空间领域的大口径反射镜复合支撑结构。该复合支撑结构包括A框加切向拉杆的周边支撑和3组whiffletree结构组成的背部支撑。研究了复合支撑的支撑原理和工程实现。基于功能分配和指标分配的理念设计了复合支撑结构。采用有限元分析的手段对设计结果进行了静力学和动力学仿真验证,然后对实际的支撑系统进行了相关的试验测试。试验结果表明,采用复合支撑的反射镜组件在工作状态下的面形精度优于λ/50(λ=632.8nm),镜体刚体位移小于0.01mm,镜体转角小于2″,质量小于50kg。整个组件模态分布合理,基频为161Hz,远高于设计要求的120Hz。各项仿真和测试结果均表明该复合支撑效果良好,满足空间遥感器对可靠性和稳定性的需求。     

大型离轴三反相机桁架式主支撑结构设计与优化

根据大型离轴三反空间相机的特点,研究了其主支撑结构的形式。应用Rayleigh法推导了桁架式主支撑结构的基频计算公式,分析了桁架杆间夹角对其基频的影响,并以此为基础研究了其优化方法和过程。据此设计并优化了某预研空间相机的桁架式主支撑结构,其基频达到146Hz,表明本研究对大型离轴三反空间相机主支撑结构的设计具有一定的指导意义。以上研究已成功应用于某预研相机的样机研制中。