微小型空间相机碳纤维整体式主框架轻量化设计

针对某微小型离轴空间相机结构紧凑、质量轻的设计要求,设计了一个高度轻量化的整体式碳纤维主框架。首先,根据空间相机具体功能的设计指标和光学系统,确定主框架的材料和结构形式,设计出碳纤维整体式主框架的基本构型。接着对铺层厚度参数化优化,并考虑碳纤维复合材料的制造约束,确定了主框架碳纤维铺层的厚度、比例。将参数化优化的结果进行离散化,进行碳纤维铺层顺序的优化,确定了最佳的堆叠次序,完成了碳纤维的铺层优化设计,实现了主框架的轻量化设计,解决了复杂碳纤维零件优化的问题。然后对设计完的碳纤维主框架结构代入整机有限元模型中,进行有限元仿真分析,验证主框架的性能指标。最后,将整机装配完成进行动力学试验,并与有限元分析结果进行对比验证。经过优化,碳纤维主框架的质量为4.5 kg,相机一阶频率为81 Hz,动力学试验得到的相机整机的一阶频率为78 Hz,仿真误差为3.7%,符合仿真结果,进一步说明了设计的合理性以及正确性。本文提出的空间相机碳纤维整体式主框架设计方法对微小型离轴三反式空间相机结构设计以及碳纤维零件的轻量化优化设计具有一定的借鉴意义。     

空间轻小型离轴三反相机桁架主支撑结构设计

为了满足轻小型离轴三反相机精度高、质量小的要求,采用了一种以碳纤维桁架杆结合钛合金安装基板的空间相机主支撑结构。通过分析对比各种空间相机主支撑结构的优缺点,结合本文所述光学系统的特点,确定了次镜安装基板和折叠镜安装基板分开支撑的支撑方式。对初始的主支撑结构进行以一阶频率为优化目标,质量为约束条件的动力学尺寸优化,并对最终的主支撑结构特性进行了有限元分析和试验验证。有限元分析和振动试验表明:在主支撑结构质量不大于4 kg的条件下,所研制的离轴三反相机主支撑结构力学性能指标均满足设计要求,其中一阶频率达到291.4Hz。该离轴三反相机主支撑结构设计方案可以作为其它同型相机结构设计的技术参考。     

大型空间红外相机多反光学系统桁架杆框架的设计

针对大型空间红外相机对复杂支撑功能且重量小、刚度高框架的需求,本文设计了一个全部由桁架杆互相支撑形成的框架,并通过结构分析、工艺试验和力学试验验证了框架的可行性和可靠性。该框架由58根碳纤维支撑杆和21个接头组合形成相机的主支撑结构,可支撑多个周向分布的光学组件,且满足框架总质量不超过55kg的要求。介绍了框架的装调和胶接方法和步骤,进行了有限元分析和力学试验,验证了三角形封闭的桁架杆结构在黏接强度降低的情况下,仍能够在相机受力状态下具有足够的安全裕度。力学试验得到框架的一阶谐振频率为90.4 Hz,满足一阶谐振频率不低于60Hz的要求,与有限元分析结果相符。     

空间遥感相机碳纤维机身结构设计

针对离轴三反相机光学系统对机身结构的要求,采用碳纤维复合材料制备关键部件,设计了合适的相机机身结构.设计的离轴三反相机采用的复合材料占整机重量的32％.机身结构为非对称形,光学系统中主、次镜间距为850 mm,反射镜接口定位精度要求间隔为0.005 mm、偏心为0.005 mm、倾斜为5″.通过有限元软件对设计结果进行分析、优化和检验,完成了机身结构的优化设计.计算结果表明,该机身结构具有较好的刚度、较轻的重量,能够满足光学设计对间隔,偏心和倾斜的要求.对总装完成的相机进行了力学环境试验和热真空试验,结果证明了该相机机身结构在力、热等环境条件下稳定性良好,其一阶谐振频率在120 Hz以上,相机调制传递函数在0.2以上,满足离轴三反空间相机各反射镜对空间位置精度和稳定性的要求.     

空间相机碳纤维薄壁筒式主次镜支撑结构

在大口径、长焦距空间遥感相机中,主、次镜间相对位置变化会影响相机的成像质量和稳定性,因此,作为主次镜间承力结构的主次镜支撑结构,是相机设计过程中的关键一环。本文针对大口径、长焦距相机特点,设计并研制了碳纤维薄壁筒式主次镜支撑结构。首先,根据给定光学系统,选取了筒式基结构形式。然后,根据筒式基结构形式的特点,依次对筒式结构的次镜支撑梁和纵向加强筋的几何结构形式进行了分析与选型。接着,为了充分发挥碳纤维材料铺层可设计性特点,对主次镜支撑结构进行了结构关键尺寸、铺层厚度和铺层角度三者的迭代优化设计,并对设计结果进行了有限元仿真分析。最后,通过测量次镜角度变化量和特征级扫频振动试验,验证了支撑结构的稳定性和结构刚度。试验结果表明：次镜相同状态下长期监测差值变化量小于1.5″,重力翻转前后变化量小于1.08″,支撑结构一阶固有频率大于115 Hz,轴向频率大于180 Hz,表明主次镜支撑结构具有良好的刚度和结构稳定性,满足设计指标要求。     

无砟轨道精调车轻量化设计

为使无砟轨道精调车结构悬臂处静刚度满足设计要求,并减少结构自重,对其进行优化设计。考虑到结构动态特性对结构性能的影响,首先,运用ANSYS软件对其进行谐响应分析,得出对精调车结构动态特性影响最大的固有频率;然后,以该阶频率和结构自重为优化目标,利用最优拉丁超立方试验设计方法对各变量进行灵敏度分析,获取最终设计变量;最后,在ISIGHT软件中建立了精调车结构的响应面近似模型,并利用粒子群算法对响应面近似模型进行多目标寻优。优化结果表明,精调车结构自重下降了6. 78%,第5阶固有频率上升为15. 67 Hz,满足了悬臂处静刚度设计要求,研究结果可为类似的精调车结构设计和改进提供参考。     

轻小型无人机云台机电多目标优化

轻小型多旋翼无人机云台是一种复杂机电伺服系统,要求兼具轻质量与快响应等机电特性。本文针对传统方法在机电伺服系统中设计的不足,以轻小型多旋翼无人机云台为研究对象,提出一种针对系统带宽的机电多目标优化设计方法。方法中,系统结构部分通过灵敏度分析得到7个尺寸设计参数,并以一阶模态和质量为目标进行优化;系统控制部分以速率环和位置环控制器参数为设计变量,并以上升时间、调节时间和绝对积分误差(Integral Absolute Error,IAE)为目标进行优化。在优化设计中,将近似模型与多目标遗传算法相结合,以降低优化复杂度、并提高优化效率及全局寻优能力。对方法进行仿真分析,结果表明:相比初始结构系统和控制系统模型,采用机电多目标优化设计方法后,结构部分质量降低了8.8%,控制部分IAE型积分误差、调节时间及上升时间等主要性能参数分别降低了54.8%、81.9%和53.4%。最后采用锤击法对云台结构进行模态实验,实验得到的一阶模态频率与优化结果的误差为13.4%。说明提出方法可有效实现云台系统机电总体多目标优化。     

一种小型二冲程汽油发动机的动态特性分析

针对传统小型二冲程汽油机的振动与噪声问题,采用Solid Works建立发动机三维实体模型,基于ANSYS Workbench对发动机整机进行模态分析,给出发动机前4阶固有频率及振型云图,并辅助以实验模态进行验证。结果表明,发动机最低阶模态频率447.1Hz高于额定运行工频125Hz,系统不会发生结构共振,为预知结构设计的薄弱环节与减振降噪设计提供参考依据。     

空间相机主支撑结构拓扑优化设计

针对目前空间相机主支撑结构设计中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化方法对空间相机光学系统主支撑结构进行优化设计的方案,并采用有限元分析法对两种空间相机主支撑结构优化设计的结果进行了检验。对卡塞格林光学系统和TMA光学系统主支撑结构进行拓扑优化后做了比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41 Hz提高到72 Hz,重量降低了15%;TMA光学系统主支撑结构在一阶固有频率不降低的情况下,重量降低了35% 。结果表明,采用拓扑优化设计方法缩短了设计周期,提高了空间相机主支撑结构的性能,有效降低了支撑结构重量,满足了系统设计要求。     

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。     

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。     

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。     

大型离轴三反相机桁架式主支撑结构的设计与优化

为了提高空间相机主支撑结构的刚度,减轻结构质量,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优化过程.优化设计了某预研空间相机的桁架式主支撑结构并对其结构特性进行了分析.分析结果表明,设计的主支撑机构的质量减轻了22 kg,基频可达146 Hz,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参考价值.该研究结果已成功应用于某预研相机的样机研制中.     

可见与红外双波段航空侦察相机光机设计

为满足高分辨率昼夜凌空侦察和中低空战术昼夜侦察需要设计灵巧型双波段航空侦察相机,该相机的研制为发展新型机载光电侦察设备提供技术储备。根据目标在不同光谱波段下的光学特征设计可见、红外双波段光学成像系统,全视场传递函数达0.5以上。基于SiC材料反射镜设计一种叶片式柔性支撑结构,该结构能够较好的保证反射镜的面形精度,仿真结果显示反射镜在重力载荷和热载荷叠加的情况下面形精度优于12 nm。针对目前航空相机主支撑结构难于同时保证质量小且刚度高的问题,采用NX/Narsrtan软件对相机主支撑结构进行优化设计,优化结果使相机框架结构一阶固有频率提高15 Hz,质量减小10%。通过环境试验、动态成像试验及分辨率检测试验验证设计结果的正确性。相机切实可行的光机设计有效地保证整个系统的性能指标都能满足设计要求。     

大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计

针对某1m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...     

星载双反射面偏置天线可展开双轴指向机构设计

为实现双反射面偏置天线在航天系统中的应用,提出一种基于连杆连接的双反射面偏置天线可展开双轴指向机构设计方案,并研制出原理样机、完成相关试验验证.本文首先针对双反射面偏置天线的特点以及航天系统的特殊要求,分析和对比传统天线指向机构不同构型的特点,完成了双反射面偏置天线指向机构的构型设计;其次通过有限元方法对指向机构进行动...     

一种空间光学镜并联指向机构优化设计

目的：针对空间光学镜指向机构高精度、轻量化的特殊要求,提出一种基于球面5R机构的新型空间二维并联指向机构。方法：传统球面5R并联机构存在负载不便安装的问题,通过设计非对称支链形式和特殊连杆结构,有效解决了这一问题。基于机构的运动学分析,以工作空间、灵巧性和承载能力作为优化指标,采用图谱法对机构的结构参数进行了优化设计。采用有限元方法对优化后机构的不同负载布置形式进行模态分析。结果：优化结果表明非对称支链形式机构具有更好的灵巧性指标。设计光学镜负载质心位于球面机构球心处,结构更加紧凑,可以提高机构固有频率,并且能够降低负载运动转动惯量。结论：提出的新型空间光学镜并联指向机构具有良好的综合性能,研究为高精度并联光学指向机构的应用提供了理论基础。