空间相机结构设计中的拓扑优化及尺寸优化

在复杂的整机力学环境下,以空间遥感相机支架最大自由模态为优化目标,将整机关键技术指标(基频、轻量化要求、自重变形要求等)作为约束条件,利用拓扑优化及尺寸优化技术,对某相机支架进行了优化设计。试验结果表明该方法能有效提高相机基频,相机支架实现了轻量化设计,质量减轻10%,验证了拓扑优化及尺寸优化技术在空间相机结构设计中的有效性。

空间反射镜结构轻量化设计研究

为提高空间反射镜的轻量化率,设计了一种新型空间反射镜结构。以空间望远镜次镜为研究对象,首先对实体镜坯进行了拓扑优化,根据材料分布结果建立了次镜初步模型;对初步模型进行了尺寸、形状联合优化,进而得到了一种新型次镜结构。其次建立了采用背部三角形轻量化孔的传统次镜结构模型,对其进行了尺寸、形状联合优化。最后将新型结构与传统结构进行了对比;对两种结构分别进行了重力释放载荷下的有限元分析,根据分析结果计算出了镜面变形的RMS值。综合镜体质量和RMS值数据来看,在两种结构的面形精度近似的情况下,新型次镜结构在轻量化率方面更占优势。

空间光学遥感器长条形反射镜集成优化设计

针对空间光学遥感器离轴三反光学系统主镜的高轻量化率、高面形精度要求,提出了一种长条形反射镜集成优化的设计方法。首先利用变密度的拓扑优化方法分别得到刚度最大化和一阶频率最大化的反射镜拓扑模型,综合两种拓扑模型得到了反射镜的集成设计方案;然后提出了基于镜面变形值的镜体加强筋变量拓展优化方法,进行了设计变量的灵敏度分析,并对反射镜局部加强筋进行了多变量尺寸优化,得到了该长条形反射镜的最佳轻量化结构;最后对优化结果进行了有限元分析,仿真结果表明反射镜在优化后的面形精度有了显著提升,镜体质量仅为8.65 kg,与实心镜体相比轻量化率达到了80.9%。在Z向1g重力作用下,镜面面形精度峰谷值为23.70 nm, 均方根值为4.54 nm,该优化方法能很好地满足设计要求。

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。