基于多目标优化理论的空间反射镜加强结构轻量化设计

空间望远镜的分辨力与反射镜口径成正比,但反射镜口径的增大导致其质量以三次方的比例增重,以致镜面变形恶劣和发射成本增加。针对此问题,文中基于多层次优化和多目标优化理论对反射镜进行轻量化设计。首先建立反射镜的几何模型并分析载荷工况,针对反射镜多工况下的参数要求,以反射镜轴向重力工况下的刚度最大和低阶固有频率最大为目标,用折衷规划法和平均频率法建立多目标优化的目标函数进行多目标拓扑优化;根据优化结果进行反射镜的加强筋布置;最后以加强筋的宽度为变量,进行多目标尺寸优化实现加强筋的尺寸寻优。计算分析结果表明:优化后反射镜结构在满足原有性能要求的基础上质量减少了7.2%,实现了轻量化设计。     

空间反射镜轻量化技术的研究进展

为了提高空间光学系统的分辨能力,大幅度降低昂贵的发射成本,空间反射镜的轻量化技术被不断深入研究。分析了空间反射镜轻量化的技术途径：选用适当的材料;反射镜轻量化外形、拓扑结构和支撑形式的设计;集成分析与优化。总结了空间反射镜轻量化技术的未来趋势是光、机、热、电、控和材料的一体化分析与全面的多学科多目标优化。     

空间光学系统反射镜轻量化技术综述

分别从材料选择、制造工艺、结构形式等方面对国内外空间光学系统反射镜的轻量化技术进行了系统的评述,分析了轻型反射镜技术的现状和发展趋势。针对国内的技术水平,对今后的研究工作提出了几点建议。     

空间杆件结构的轻量化设计

利用Matlab对一个25杆结构件做分析,得到了结构尺寸变化时,杆件截面积变化对受力变化影响的灵敏度。以灵敏尺寸作为优化参数、结构体积作为优化目标、许用力作为约束条件对该空间杆件结构做了轻量化设计。利用计算机仿真轻量化过程,在保证刚度的前提下可降低结构质量。结果表明,灵敏度分析是结构轻量化设计的有效途径。     

主反射镜的一种轻量化设计和加工

报告了φ354mm轻质主反射镜的设计和制作工艺方法.用有限元法对镜面进行了力学分析,确定了加工和检测状态下的镜子装夹方案.检测镜面的结果表明这种方法是实用的.     

主反射镜轻量化工程分析计算

采用了空间遥感相机主反射镜背部打圆孔的轻量化方案,对轻量化主镜进行了CAD实体模型构造及重量和轻量化率的计算,建立了轻量化主镜的有限元模型,进行了静力学和动力学分析和计算,并对轻量化和未轻量比的主镜的自振频率进行了比较。计算结果表明,主镜的轻量比设计满足技术要求,轻量化主镜的动态刚度、比刚度得到提高,轻量化率达30%以上,并还有轻量化的余地。上述结果对主镜的改进设计有重要的意义。     

微型电动汽车车架结构轻量化设计研究

为了提高微型电动汽车车架材料的利用率,利用Creo软件建立三维模型,并导入ANSYS Workbench软件对原车架模型进行有限元静态、模态分析,依据分析结果进行结构改进。对改进后的车架进行力学特性验证分析,发现应力偏大。根据车架强度要求,基于Design Xplorer模块建立车架多目标驱动尺寸优化模型,对车架梁布局进行分析,获得较合理的优化方案;最后对优化后的样车进行动力性能试验研究,验证车架的安全稳定性。结果表明:轻量化后的车架质量比原车架减少了74. 58 kg,降低了27. 74%;而最大等效应力增大了15. 42 MPa,提高了17. 44%,但仍远远低于材料的屈服极限,符合车架强度要求。     

大口径反射镜几种轻量化孔结构形式的分析

针对某空间相机的主反射镜,根据目前的光学器件的加工工艺性,利用CAD技术对反射镜镜体进行有限元建模,分析了反射镜的几种轻量化孔的结构形式对镜体动、静态刚度的影响,从而优化出符合反射镜面形精度要求的轻量化孔的最佳结构形式.     

机床结构轻量化设计研究进展

对机床进行优化的结构构型设计,使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用,一直都是机床设计工作者追求探索的目标。论述机床构型和结构件轻量化设计的研究历程和技术发展,对机床结构轻量化设计中常用的现代设计方法:参数优化、结构拓扑优化、多方法综合结构设计、仿生优化设计方法进行具体技术介绍和综合评述,并对近年兴起的仿生优化设计方法进行从方法、实现手段和轻量化效果等方面重点分析和评述,对机床构型和结构件轻量化设计研究的未来发展提出展望。     

码垛机械手结构轻量化设计

针对码垛机械手跨度大、惯性大的问题,研究机械手结构轻量化设计方法。利用ANSYS有限元分析软件对机械手结构强度和刚度进行分析,在保证使用要求的前提下,对结构进行优化,减少结构质量,降低动态负荷,使机械手的运动更加灵活。设计采用先对关键零部件的有限元模型进行分析,再根据分析结果改进零部件设计的思路来进行。     

汽车座椅结构的轻量化设计

针对当前许多拓扑优化结构中存在的制造工艺问题,提出了一种考虑挤压工艺约束和应力约束的拓扑优化模型。采用该方法对座椅骨架进行轻量化设计,并对新设计的座椅骨架进行校核。分析结果表明:新的座椅结构在满足各项性能和挤压工艺约束的同时达到了明显的轻量化效果,证明了该拓扑优化方法的可行性。     

新能源汽车结构轻量化设计

本文通过对新能源汽车结构的设计,新能源客车车身受载状态以及拓扑的优化,探究新能源客车结构设计及强度。此次研究的主要目的是为汽车的结构设计提供有效的帮助。     

空间薄膜反射镜面形设计及优化

在分析聚酰亚胺薄膜反射镜面形成型理论的基础上,结合光学系统对反射镜面形的要求,用有限元法求解了薄膜反射镜在一定预应力存在的条件下,受均布载荷作用产生变形的数值解,通过数据拟和给出了反射镜面形,并计算了理论面形与计算面形的误差;以反射镜镜面不同区域施加的载荷为设计变量,薄膜的屈服强度为状态变量,理想面形与计算面形的误差为目标函数,用ANSYS软件对薄膜反射镜面形进行了优化;最后以Zernike多项式为接口对反射镜面形进行了波前拟合,给出了优化前后反射镜的像差,证明了通过对薄膜反射镜施加适当的力场可以得到面形精度很好的抛物线面形。结果表明:改变力场可以控制薄膜反射镜面形,并得到需要的面形,为实际设计、构建聚酰亚胺薄膜反射镜提供了理论基础、设计依据和方法。     

空间反射镜胶粘结固紧结构优化设计

为了设计合理的空间反射镜胶粘结结构,对某空间反射镜中的胶层进行了等效刚度建模,并对反射镜组件进行了热弹性分析,通过与试验结果对比,验证了模型的有效性,同时发现初始设计不满足设计指标要求.综合分析了结构粘合剂泊松比、粘结位置、胶层宽度和胶层厚度等因素对反射镜面形误差的影响,找出影响离焦误差的因素,进而提出了一种优化的胶层粘结方案,并进行了反射镜组件的动静态刚度分析和热尺寸稳定性分析.计算结果表明:优化的粘结方案,不仅满足设计指标要求而且有效防止了偏心粘结造成的胶层分布不均匀对系统的影响.     

双柱立式车床横梁结构轻量化设计研究

机床横梁为现代立柱式机床主要支撑部件,目前的横梁设计存在自身质量过重及横梁刚度有待提升等问题。以DVT250型双柱立式车床为研究对象,预设计不同种类车床横梁结构,研究横梁的受力变形情况与固有频率值;根据车床应用中实际工况进行静力特性分析及模态分析,以横梁质量最小化为目标,根据仿真结果进行相对密度法拓扑优化设计,根据拓扑优化的材料分布结果及生产工艺性确定横梁减质位置,通过分析对比多组(多种类)横梁仿真分析数据后确定菱形筋板结构为最佳横梁筋板结构。优化结果为：车床所用的最优横梁结构减重比为4.81%,受力最大变形降低率为12.62%,静刚度提升了6.52 N/μm;优化后横梁1阶～6阶固有频率分别提升了16.30、22.42、10.83、13.45、26.46和20.48 Hz,前6阶固有频率值均出现不同程度的提高。     

特种车辆车体结构的轻量化设计研究

结构轻量化设计是确保自然灾害救援车具有良好抗冲击能力和高承载性能从而以最快速度到达灾害救援现场的重要保证。以某型特种车辆的车体结构为研究对象,提出了车体结构概念优化设计-局部优化设计-详细优化设计的总体优化技术方案,综合采用拓扑优化、形貌优化、尺寸优化等优化设计方法,得到了最佳的车体结构设计方案,通过实际验证,取得了良好的车体结构轻量化设计效果,为同类装备的轻量化设计提供相关参考和借鉴。     

Φ510mm SiC超轻量化反射镜的设计与有限元分析

针对Φ510mmSiC超轻量化反射镜的研制,提出了一剖面为船型、内部为正三角形、面板加密呈正六边形的轻量化结构。当设计重量为1.85kg时,通过调整各个结构参数与另外两种相同重量的轻量化结构进行了比较。结果表明,在同样背部6点支撑作用下,该超轻量化结构在光轴指向天顶时由自重引起的面形(RMS)具有较大优势。利用Patran\Nastran有限元软件模拟计算了该超轻量化反射镜在光轴水平状态下的自重镜面变形,并对其进行了热力学及动力学特性分析。分析结果显示,该超轻量化反射镜各项指标均能满足使用要求。最终,根据设计结果试制加工了一块镜坯,初步加工后的重量约为2.2kg,面密度约为10.8kg/m2,已达到目前SiC超轻量化反射镜的先进水平。     

发动机罩的结构轻量化设计

应用拓扑和形貌联合优化,以及基于DOE灵敏度分析的尺寸优化对发动机罩进行轻量化设计。分析了原发动机罩主要承载状态的刚度和一阶约束模态。两种优化设计方法均以体积最小为目标,弯曲刚度、扭转刚度、侧向刚度和一阶约束模态频率为约束条件。根据优化设计结果,给出了两种轻量化方案。对比优化前后的结构性能,从刚度和一阶约束模态频率角度验证轻量化方案的可行性。CAE分析结果表明,两种方法均可以达到降低发动机罩质量且满足结构性能要求的目的,而且,对此发动机罩尺寸优化的轻量化效果更好。     

星载天线结构轻量化设计研究进展

文中首先综述了近年来星载天线结构轻量化设计方法,概括了星载天线结构轻量化设计的发展历程,介绍了刚性反射面天线和相控阵天线应用的基本情况;然后从天线形式、先进材料、空间结构、3D打印、结构功能一体化设计等方面详述了天线结构轻量化的具体研究进展;最后指出了在航天领域天线轻量化设计需进一步考虑的科学问题,并展望了天线空间结构轻量化设计方法的发展前景,为未来天线先进空间结构研发提供参考.     

基于人工神经网络的某空间反射镜柔性支撑结构优化设计与分析

空间反射镜的支撑结构决定了反射镜的性能.通过有限元分析来优化支撑结构参数需要很大计算量,而且无法找到最优解.为了缩短设计周期,提出用人工神经网络来模拟反射镜组件输出特性和支撑结构参数间的非线性关系,并用MATLAB编制程序实现神经网络的建立和泛化,最终找到使反射镜输出特性最优的支撑结构参数.该方法不但能找到多变量优化的最优解,而且计算表明用神经网络泛化得到结果和有限元分析计算得到的结果相差在5％以内,精确度足以满足工程应用要求.