空间反射镜轻量化结构的拓扑优化设计

为满足较高面形要求,实现空间反射镜的高度轻量化设计,在直径500 mm 圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法.依据变密度法建立SIMP模型,在反射镜光轴方向重力的工况下,以结构整体柔度为设计约束,最小体积为设计目标,经过选代,得到了RMS值小于5nm,轻量化率达到75.83%的结构.在同等质量下,传统的三角形孔轻量化结构的RMS值为8.17nm,轻量化率为67.39%.并对优化后的结构与三角形轻量化结构在径向重力工况下进行了面形对比,计算结果满足设计要求.拓扑优化的轻量化方式在面形和轻量化率上都优于传统形式.     

长条形SiC空间反射镜轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜结构刚度、面形精度的同时,最大限度的降低反射镜质量,成为各国新兴的、重要的研究课题。本文从材料、支撑形式、相关几何参数以及轻量化结构形式等方面对反射镜进行详细设计。提出了通过拓扑优化确定反射镜背部轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明：重力载荷下面形精度达到 λ/10 PV,λ/50 RMS (λ=632.8 nm),PV值 7 nm,RMS值 1.68 nm,反射镜组件一阶固有频率 256 Hz,均优于传统结构形式的反射镜,能够满足应用要求。     

2 m SiC 反射镜拱形轻量化结构设计

针对口径为2 060 mm 的地基大口径望远镜主反射镜,选用SiC 材料和新型拱形轻量化结构进行了详细的轻量化参数设计,并对支撑环半径进行了优化.对于Whiffle tree 18 点支撑和27 点支撑形式,从静力学(重力作用)和热力学两方面对比分析了两种轻量化结构的镜面变形,结合SiC 反射镜的加工工艺,最终确定18 点支撑的轻量化结构为首选方案.同时,就SiC 反射镜对稳态温度差导致的热变形较敏感的问题,提出可通过设计与镜体热变形相匹配的支撑结构来满足镜面变形的要求.     

基于CAE的光学反射镜柔性结构设计与分析

针对某空间光学遥感器的圆形球面反射镜设计了一温升变形调节柔性结构件,对其力学模型及柔节参数进行了理论分析,并采用计算机辅助工程分析技术(CAE)对反射镜组件结构进行建模和仿真分析,以解决反射镜在力学环境下满足结构刚度要求,而热环境下面形精度显著超差的状况,使反射镜结构刚度满足力学要求的同时,具有良好的热尺寸稳定性,达到遥感器成像质量要求.分析结果表明:在柔性结构的调节作用下,反射镜在力和热两种环境约束工况下,面形精度满足成像质量要求,PV值均小于63.2mm,进而说明了这种柔性调节结构在实际结构中是合理可行的.     

空间天文仪器反射镜材料优化与应用研究

针对空间天文光学仪器反射镜材料的选择,论述了空间反射镜材料的优化方法,对比分析了反射镜材料的性能,并以空间太阳望远镜中的摆镜及Φ1m主镜研究为依托,建立了摆镜与主镜有限元模型,根据模型完成了反射镜材料的计算优化,得到了其力学及热分析结果.结果表明,反射镜的力学及动力学环境要求较高时,铍材最优,碳化硅次之;对于仪器温控范围较宽或对日观测时,微晶玻璃最优,碳化硅次之.根据反射镜材料优化结果,确定了以金属铍作为空间太阳望远镜中的摆镜材料,并进行了铍镜研制,检测结果满足技术要求.     

碳化硅反射镜轻量化结构优化设计

本文根据某型号碳化硅主反射镜的设计要求,对比了扇形、三角形、六边形轻量化孔对镜体静态、动态性能的影响,选择了综合性能较好的三角形轻量化结构方案,利用有限元方法进行参数建模,将对镜体力学性能和质量影响较大的镜体厚度、面板厚度、筋厚度等结构参数作为设计变量,运用零阶优化方法对镜体结构进行优化设计,得到了轻量化程度高、镜面变形误差完全满足设计要求的碳化硅反射镜体。     

大口径SiC反射镜组件研制技术

目前大口径SiC反射镜组件的研制是当前轻小型化相机研制中亟待解决的关键技术之一,针对该类反射镜的研制特点,本文以某轻型相机大口径SiC反射镜组件的工程研制为例,从方案设计、力学样机设计与分析及地面试验三方面,系统地阐述了大口径SiC反射镜组件进行合理、高效、高可靠性设计的主要研制技术路线.有关试验结果表明,SiC反射镜组件一阶频率保持在340 Hz左右,与有限元分析结果相差约8.5%;振动试验前后反射镜面形RMS相差为0.009λ,该结构满足使用要求.该反射镜组件研制技术路线完全适用于其它大口径反射镜组件的工程研制,并可有效提高结构的稳定性,缩短研制周期.     

大口径平面基准仪反射镜支撑技术

大口径平面基准仪是在大口径、大视场的空间光学遥感器光学系统装调过程中必须应用的基准工具,随着光学系统的口径和视场的不断增大,平面基准仪口径也不断增大,本文从满足大口径平面基准仪反射镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了1 000 mm大口径平面基准仪反射镜及其支撑结构材料的选择,讨论了反射镜的柔性支撑结构的设计方法,并运用CAD/CAE工程分析软件进行分析及优化,应用有限元法优化出一种合理的反射镜柔性支撑结构。     

光学反射镜柔性支撑结构尺寸稳定性分析

采用计算机辅助工程分析技术(CAE)对某空间光学遥感器反射镜支撑结构进行设计和分析,针对其在自重工况下满足结构刚度要求的同时热尺寸稳定性显著超差的情况,对支撑结构进行改进,变刚性支撑为柔性支撑,弱化结构刚度,增强结构的柔性.通过对改进后的结构进行建模和仿真分析,调整柔节参数,使反射镜组件在自重工况下满足结构刚度要求的同时,具有良好的热尺寸稳定性,镜面面形精度达到成像质量要求,即PV值不大于63.2 nm.通过进一步对整个组件结构进行动力学分析可知,结构在正弦扫描和随机振动工况下不会发生颤振,疲劳和破坏.仿真分析结果表明:在柔性结构的调节作用下,反射镜在力和热两种环境约束工况下,面形精度均满足成像质量要求,结构尺寸稳定性好,说明这种柔性支撑结构合理可行.     

自准直经纬仪测角系统及不确定度分析

针对结构和安装条件限制下无法直接测量安装反射镜垂直角的问题,设计了利用光电自准直经纬仪通过中间反射镜测量安装反射镜垂直角的测量系统.分析了该角度测量方法的原理,给出了测量系统的空间解算模型,利用该数学模型可修正中间反射镜的安装角度所引入的误差.在此基础上通过实验,验证了测量系统的有效性.对测量系统各不确定度分量进行了分析,得扩展不确定度为5.90″,满足了设计要求.     

基于响应面法的无轨伸缩式门式起重机轻量化设计

依赖于传统经验方法的无轨伸缩式门式起重机结构设计往往趋于保守,材料浪费严重,为了充分发挥材料的承载性能,有必要对它进行优化分析。对无轨伸缩式门式起重机结构进行优化设计时,针对非线性接触模型计算不收敛与计算效率低等问题,提出以节点耦合模型代替接触模型来构建响应面近似模型,并将近似模型与多岛遗传算法相结合对结构参数进行优化。以某无轨伸缩式门式起重机各构件截面尺寸为初始设计变量,以结构强度、刚度、自重为模型响应,通过调用Isight平台中最优拉丁超立方设计方法产生设计变量样本点,再由试验设计（design of experiment,DOE）模块调用有限元分析软件ANSYS完成样本点模型仿真以筛选出对响应影响较大的设计变量。利用优选后的设计变量构建响应面近似模型,以结构强度和刚度为约束条件,门式起重机结构质量最轻为优化目标,采用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明：在保证结构性能的前提下,优化后门式起重机质量减轻23.4%,轻量化效果明显。所提出的优化策略可较快获得全局最优解,减少了计算量,为无轨伸缩式门式起重机结构改进提供了理论依据。     

韧带型手性结构固有频率优化

对具有负泊松比的六韧带手性结构的动力性能进行了研究。以提高韧带手性结构胞元结构刚度为目标,建立基于固有频率参数的优化模型。通过定义不同阶次固有频率对应的权重系数,实现了固有频率参数的归一化。选择韧带手性结构胞元的韧带厚度、圆环壁厚两个参数为优化变量,建立了结构优化方程。最后,应用遗传算法（GA）对韧带手性结构进行优化。结果表明,优化后其前几阶固有频率明显提高,为减振降噪新材料的设计与应用提供了参考。      

考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法

将稳定性问题引入传统变密度法中,可实现包含稳定性约束的平面模型结构拓扑优化。以单元相对密度为设计变量,结构柔度最小为目标函数,结构体积和失稳载荷因子为约束条件建立优化问题数学模型,提出了一种考虑结构稳定性的变密度拓扑优化方法。通过分析结构柔度、体积、失稳载荷因子对设计变量的灵敏度,并基于拉格朗日乘子法和Kuhn-Tucker条件,推导了优化问题的迭代准则。同时,利用基于约束条件的泰勒展开式求解优化准则中的拉格朗日乘子。通过推导平面四节点四边形单元几何刚度矩阵的显式表达式,得到了优化准则中的几何应变能。最后,通过算例对提出的方法进行了验证,并与不考虑稳定性的传统变密度拓扑优化方法进行对比,结果表明该方法能显著提高拓扑优化结果的稳定性。研究结果对细长受压结构的优化设计有重要指导意义,对结构的稳定性设计有一定参考价值。     

随机参数平面连续体结构的频率拓扑优化设计

摘 要 研究几何和物理参数均为随机变量的平面连续体结构在结构基频约束下的拓扑优化设计问题。以结构总质量均值极小化为目标函数,以结构的形状拓扑信息为设计变量,以结构基频概率可靠性指标为约束条件,构建了随机结构拓扑优化设计数学模型。利用代数综合法,导出了随机参数结构动力响应的均值和均方差的计算表达式。采用渐进结构优化的求解策略与方法,通过两个算例验证了文中模型及求解方法的合理性和可行性。     

内燃机噪声优化对车内声学的影响研究

提出了内燃机结构辐射噪声的仿真与优化方法,评价了内燃机噪声优化前后车内噪声的变化。建立了内燃机和前围板的有限元模型,通过模态分析验证了模型的精度。采用柔性多体动力学方法计算了内燃机的振动响应,并结合边界元算法得到了结构辐射噪声。完成了机体的结构优化,通过提升刚度使整体模态频率与激励峰值频率分离,从而降低机体结构响应,减小辐射噪声。搭建了内燃机与前围板的声学耦合模型,计算得到经机体结构优化前后的内燃机辐射噪声通过前围板后进入车内的声功率。结果显示,机体的优化方案大幅降低了其辐射噪声,从而减小了整机的辐射噪声。研究内燃机噪声与车内噪声的传递路径后,发现车内噪声有了明显的下降,从而证实了优化设计的可行性和有效性。     

3-URPR并联机构的逆运动学与可达工作空间分析

目的 通过对推动臂结构尺寸进行优化设计,得到在提高推动臂工作性能和力学性能的前提下减小质量的最优方案。方法 以推动臂的质量为优化目标,以推动臂受到的压力大小为约束条件,以推动臂的结构尺寸为优化设计参数,建立优化的数学模型。应用Workbench的多目标驱动优化工具结合多目标遗传算法的理论对推动臂的结构尺寸进行优化设计。结果 通过优化分析,结果表明,优化后模型的等效应力极大值减少了23.08%,结构总质量减少了7.42%。结论 通过对不同结构尺寸在其约束条件下的研究分析,达到了最优结构尺寸下推动臂工作性能和力学性能更优、部件总质量更小的目的,为以后粘箱机的结构优化设计提供了思路和参考。     

Eigenfrequecy-based damage identification method for non-destructive testing based on topology optimization

Non-destructive testing (NDT) detects damage according to a difference in a physical phenomenon between a normal structure and damaged structure. As a solution avoiding human errors in NDT, a numerical method based on a dynamical numerical analysis model and a structural optimization algorithm was proposed. This method automatically derives a structure with a response that is equal to that of a damaged structure through an optimization procedure. Among structural optimization methods, topology optimization can optimize the structure fundamentally by changing the topology and not just the shape of a structure. Thus, topology optimization is employed together with eigenfrequency analysis, which is the most fundamental methodology of NDT. The proposed method derives a structure that has the same eigenfrequencies as a damaged structure employing topology optimization. The shape and location of damage can be identified through the optimal shape obtained.     

基于有限元分析的瓦楞机支撑侧板结构优化设计

目的研究瓦楞机支撑侧板在复杂应力作用下的动态特性。方法通过Pro/E建立瓦楞机支撑侧板模型,运用有限元分析方法对侧板原结构和优化后的结构进行模态分析,并将前后模态分析结果进行对比。结果得出了侧板原结构和优化后的结构的前5阶固有频率和模态振型图,分析结果显示侧板原结构产生了扭转振动、摆动和弯曲变形,优化后的侧板结构变形减小,刚度增加,固有频率提高约25%,质量减轻约83 kg。结论侧板结构优化是比较合理可靠的,可以为结构优化设计提供一定的参考依据。     

基于等几何裁剪分析的拓扑与形状集成优化

提出了将设计和分析、拓扑与形状优化集成的思想,探索了基于等几何裁剪分析的拓扑与形状集成优化设计算法,该方法统一了结构优化的计算机辅助设计、计算机辅助工程分析和优化设计的模型,基于B样条的等几何裁剪分析既能准确表达几何形状,又可以用裁剪面分析方便处理任意复杂拓扑优化问题,由裁剪选择标准确定合理的拓扑结构变动方向,结构变动时无需重新划分网格,设计结果突破初始设计空间的限制,还可方便优化形状。建立了等几何裁剪灵敏度分析的计算方法,给出了等几何裁剪分析拓扑与形状集成优化算法,通过典型实例表明所用方法的正确性和有效性。