空间相机桁架支撑结构满应力优化设计与试验

针对空间相机桁架式支撑结构在设计过程中难以同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用满应力方法对桁架杆截面进行优化设计的思想.以桁架杆重量最低为优化目标,桁架杆自重变形和桁架的一阶固有频率为约束条件,桁架杆截面的内外径为优化变量,建立了基于满应力准则的优化模型.经过优化,桁架杆截面的外径为50 mm,内径40 mm,质量6.1kg,一阶固有频率121 Hz.采用有限元法对优化结果进行模态校核和重力变形校核,同时为检验碳纤维复合材料的热稳定性,对桁架组件进行了热变形分析.得到次镜的偏心和偏转均满足光学设计要求.对优化设计出的桁架组件进行了0.2g扫频试验以及尺寸稳定性试验.试验结果表明,桁架组件一阶固有频率为119Hz,与理论分析结果基本吻合;在45N外力载荷和15℃均匀温升载荷的作用下,桁架稳定性能良好.次镜的偏心和偏转均小于5″,满足光学设计要求.优化设计出的桁架支撑结构具有刚度高、尺寸稳定等特点,这为实现空间相机向大口径、长焦距、轻型化方向发展奠定了研究基础.

大型离轴空间相机桁架支撑结构的设计

设计了一种18杆空间相机桁架式主支撑结构,解决了大型离轴三反空间相机主支撑结构要求同时具备轻质、高刚度、高强度和高热尺寸稳定性的难题。分析了采用整体框架结构及桁架支撑结构作为离轴三反空间相机主支撑结构的优缺点,根据光学系统及相机整体结构尺寸特点,确定了桁架支撑方案。分析对比了单层6杆桁架结构和双层18杆桁架结构的动静态刚度。合理选取了桁架式主支撑结构的材料,分析了对支杆基频的影响因素,优化设计了支杆的结构参数,分析了18杆桁架支撑结构的力、热特性,并对支杆与杆接头的胶粘结强度进行了试验测试。有限元分析结果表明,相机桁架主支撑结构一阶固有频率为78.4 Hz,次镜在X向重力作用下绕Y轴的最大倾角为4.6″,动静态刚度均满足设计指标要求。碳纤支杆拉伸试验结果表明,胶粘结支杆的抗拉强度为5.85 MPa,满足强度要求。

空间相机桁架式支撑结构的集成优化设计

桁架式支撑结构在大中型离轴三反(TMA)空间相机中使用广泛,如何提高其动力学特性是此类相机研制过程中的关键。针对桁架结构的设计问题,提出了通过集成优化确定桁架结构动力学特性最佳位置的方法,使用实验设计的手段,对影响其动力学特性的各桁架杆位置变量进行了研究,分析了该优化问题解空间的特点;为了实现桁架结构的全局最优设计,以提高支撑结构的一阶自然频率为目标,使用多岛遗传算法(Multi-island GA)进行全局寻优求解。利用有限元分析的方法,得到该桁架经优化后的一阶自然频率107.72 Hz,较未经优化的初始结构(83.45 Hz)提升了29%,效果显著。该研究提出的集成优化模型和分析方法为此类桁架结构的设计提出了新的思路。

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22kg,基频可达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。

基于Rayleigh算法的空间相机桁架结构设计与优化

为了满足空间相机主支撑结构在强度、刚度和稳定性等方面的要求,根据能量守恒原理,采用基于Rayleigh算法的单位力法,推导了空间相机三角形桁架单元的频率计算公式,研究了桁架杆间夹角对相机主支撑结构频率的影响。以某种桁架式空间相机为例,结合有限元方法对理论计算结果进行了分析验证,并以此为基础对相机的桁架结构进行了优化。结果表明:优化后的相机结构较原方案在X和Y向的频率分别提高了18.01 Hz和27.38 Hz,增加了相机结构刚度,为以后的空间相机主支撑结构设计提供了重要依据。

预应力网架结构优化分析

在空间网架结构中引入预应力,可以使其适用范围变得更加广泛、经济性变得更加合理.进行预应力网架结构优化研究,对于该种结构的推广和应用,具有积极的现实意义.文中以拉索张力和杆件截面为设计变量,提出了预应力网架结构的优化模型,并给出了具体的优化设计步骤.以一具体实例对网架结构进行了预应力优化分析,验证了模型的可行性,同时得出了一些有益的结论.

离轴三反空间相机主支撑结构优化设计与试验

为解决离轴三反空间相机随机响应过大的问题,提出了一种以降低加速度响应均方根值(RMS)为目标的空间相机主支撑结构拓扑优化设计方法。首先,在分析各种空间相机主支撑结构和某离轴三反光学系统特点的基础上,确定了次镜组件和折叠镜组件分开支撑的结构形式。其次,以离轴三反空间相机次镜的加速度响应均方根值为优化目标,以体积分数,X、Y、Z向重力载荷分别作用下次镜的刚体位移,主支撑结构的一阶频率为约束条件对初始主支撑结构有限元模型进行拓扑优化设计,得到了加速度响应满足设计要求的主支撑结构。最后,对该结构进行有限元分析和振动试验,表明了该离轴三反空间相机力学性能指标均满足设计要求,其中Z向2 g RMS量级的随机激励下次镜的加速度响应均方根值为5.08 g;主支撑结构质量仅为3.8 kg,一阶频率达到了291.4 Hz。该离轴三反相机主支撑结构的设计方法可以作为其他同型相机结构设计的参考。

钢箱桁架拱桥V型墩受力分析与优化设计

以某钢箱桁架拱桥为背景,研究V型桥墩的力学性能.首先,基于MIDAS全桥模型最不利荷载工况下V构的边界条件,利用ABAQUS对局部模型进行受力分析;随后,以内外侧肢腿倾角比、V构矢高与墩座高度比为参数,分析V型墩最大应力变化规律;最后,对V构进行优化设计.研究表明:在承载能力极限状态下,墩座底部和外侧肢腿下缘产生了较大的拉应力;随着两种参数的增大,肢腿与墩座最大主拉应力呈现相反的变化趋势,而最大主压应力均趋于降低;结合分析所得,优化结构布置形式后,主要受拉部位主拉应力减小,安全储备提高.