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星载二维转台U型架结构轻量化与优化设计

魏钰轩 王振宇 李治国 黄乐弘 杨凯 马玉宝

魏钰轩, 王振宇, 李治国, 黄乐弘, 杨凯, 马玉宝. 星载二维转台U型架结构轻量化与优化设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0227
引用本文: 魏钰轩, 王振宇, 李治国, 黄乐弘, 杨凯, 马玉宝. 星载二维转台U型架结构轻量化与优化设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0227
WEI Yu-xuan, WANG Zhen-yu, LI Zhi-guo, HUANG Le-hong, YANG Kai, MA Yu-bao. Lightweight and optimized U-frame design for space-borne two-dimensional turntable[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0227
Citation: WEI Yu-xuan, WANG Zhen-yu, LI Zhi-guo, HUANG Le-hong, YANG Kai, MA Yu-bao. Lightweight and optimized U-frame design for space-borne two-dimensional turntable[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0227

星载二维转台U型架结构轻量化与优化设计

doi: 10.37188/CO.2023-0227
基金项目: 国家重点研发计划项目资助(No. 2022YFB3707804)
详细信息
    作者简介:

    魏钰轩(1999—),男,陕西宝鸡人,博士研究生,2021年于中南大学获得学士学位,现为中国科学院大学博士研究生,主要研究方向为光机结构优化与轻量化设计。E-mail:weiyuxuan@opt.ac.cn

    通讯作者:

    李治国(1976—),男,陕西绥德人,博士,研究员,2005年于西安交通大学获得硕士学位,2013于中国科学院大学获得博士学位,主要从事光电测控与精密跟踪测量技术的研究。E-mail:lzg@opt.ac.cn

  • 中图分类号: V258;V214.19

Lightweight and optimized U-frame design for space-borne two-dimensional turntable

Funds: Supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2022YFB3707804)
More Information
  • 摘要:

    星载二维转台是空间相机等光电设备的主要承载机构,U型架是转台的关键支撑部件。为了对星载二维转台U型架进行结构优化与轻量化设计,研制高承载比和轻量化的星载二维转台,本文设计了一种用于星载二维转台的碳纤维复合材料U型架。首先,利用碳纤维复合材料代替钛合金材料,结合考虑工艺性,设计了一种变截面管状结构U型架。接着,按照基于铺层工艺的有限元建模方法对碳纤维U型架进行有限元建模与仿真分析。然后,试制U型架样机并通过模态试验验证有限元模型的准确性。最后,提出一种理论分析法、遗传算法、有限元法结合的三级优化方法对碳纤维U型架铺层角度、铺层厚度与铺层顺序进行优化设计。结果表明:模态试验与仿真得到的U型架振型完全一致,频率相差5%以内。初始设计的碳纤维U型架比钛合金U型架质量减少45.7%,通过对复合材料铺层的优化设计,使U型架质量进一步减少13.8%,固有频率提升10.14%。本文所采用的复合材料建模与优化方法正确,设计的碳纤维U型架满足星载二维转台轻量化设计需求。

     

  • 图 1  钛合金U型架结构主要尺寸

    Figure 1.  Main dimensions of titanium alloy U-frame structure

    图 2  初步设计的碳纤维U型架

    Figure 2.  Preliminary design of CFRP U-frame

    图 3  碳纤维臂的变厚度设计

    Figure 3.  Variable thickness design of carbon fiber arms

    图 4  最终确定的碳纤维U型架结构形式

    Figure 4.  Finalized CFRP U-frame structure

    图 5  基于铺层工艺的复合材料建模方法原理

    Figure 5.  Principles of composite modeling method based on layup process

    图 6  碳纤维U型架网格划分

    Figure 6.  Meshing of CFRP U-frame

    图 7  碳纤维臂变厚度建模方法

    Figure 7.  Variable thickness modeling method of CFRP arm

    图 8  碳纤维U型架有限元模型及厚度分布

    Figure 8.  CFRP U-frame FEM model and thickness distribution

    图 9  碳纤维U型架静力学分析边界条件

    Figure 9.  CFRP U-frame FEM model and thickness distribution

    图 10  碳纤维U型架静力学分析结果

    Figure 10.  CFRP U-frame static analysis results

    图 11  碳纤维U型架成型过程

    Figure 11.  Forming process of CFRP U-frame

    图 12  碳纤维U型架最终产品

    Figure 12.  CFRP U-frame final product

    图 13  碳纤维U型架模态测试试验现场

    Figure 13.  CFRP U-frame modal test

    图 14  约束模态仿真与试验振型结果

    Figure 14.  Constrained modal simulation and test shape results

    图 15  碳纤维U型架优化设计流程

    Figure 15.  Optimization of CFRP U-frame design process

    图 16  铺层角度优化遗传算法流程

    Figure 16.  Genetic Algorithm process for Ply angle optimization

    图 17  目标函数迭代曲线

    Figure 17.  Iterative curve of objective function

    图 18  铺层形状优化目标函数收敛曲线

    Figure 18.  Convergence curves of the objective function for ply shape optimization

    图 19  铺层厚度优化结果

    Figure 19.  Ply thickness optimization results

    表  1  U型架所用材料属性

    Table  1.   Properties of materials used for U-frame

    材料 弹性
    模量
    E1/(MPa)
    弹性
    模量
    E2/(MPa)
    弹性
    模量
    E3/(MPa)
    剪切
    模量
    G/(MPa)
    泊松比
    μ
    密度/
    (g/cm3)
    铝合金 71000 71000 71000 27000 0.3 2.7
    碳纤维M40J 220000 8200 8200 5100 0.3 1.6
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    表  2  碳纤维U型架铺层方式

    Table  2.   CFRP U-frame layering method

    铺层区域 单层厚度/mm 层数 总厚度/mm 铺层顺序
    整体 0.133 27 3.591 [0/90/45/03/−45/0/0/−45/02/−45/03/45/0/90/0/45/0/90/0/902/0]
    顶部加强区 过渡区1 30 3.990 [0/90/45/03/−45/0/0/−45/02/−45/03/45/0/90/0/45/0/90/0/902/0/−45/45/0]
    过渡区2 33 4.389 [0/90/45/03/−45/0/0/−45/02/−45/03/45/0/90/0/45/0/90/0/902/0/−45/45/0/45/90/0/−45/45/0]
    过渡区3 36 4.788 [0/90/45/03/−45/0/0/−45/02/−45/03/45/0/90/0/45/0/90/0/902/0/−45/45/0/45/90/0/−45/45/0/90/0/−45/45/90/0/−45/45/0]
    底部加强区 过渡区1 31 4.123 [0/90/45/03/−45/0/0/−45/02/−45/03/45/0/90/0/45/0/90/0/902/0/−45/45/0/90]
    过渡区2 35 4.655 [0/90/45/03/−45/0/0/−45/02/−45/03/45/0/90/0/45/0/90/0/902/0/45/90/0/0/−45/45/0/]
    过渡区3 38 5.054 [0/90/45/03/−45/0/0/−45/02/−45/03/45/0/90/0/45/0/90/0/902/0/90/0/−45/45/90/0/0/−45/45/0/90]
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    表  3  碳纤维U型架模态仿真分析结果

    Table  3.   CFRP U-frame modal simulation analysis results

    模态类型阶次仿真频率/Hz仿真振型
    约束模态一阶80.21左臂左右摆
    二阶84.20右臂左右摆
    三阶107.27左臂前后摆
    四阶113.15右臂前后摆
    自由模态一阶80.30两臂开合摆
    二阶168.11两臂前后摆
    三阶248.81两臂左右摆
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    表  4  钛合金U型架与碳纤维U型架对比分析

    Table  4.   CFRP U-frame modal simulation analysis results

    项目 钛合金U型架 碳纤维U型架
    质量 19.90 kg 10.80 kg
    厚度 5 mm(筋4 mm) 变厚度
    一阶频率 83.60 Hz 80.21 Hz
    最大应力 2.29 MPa 1.26 MPa
    应力集中 明显 不明显
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    表  5  模态试验结果与有限元分析结果对比

    Table  5.   Comparison between modal test results and finite element analysis results

    模态类型阶次仿真频率/Hz试验频率/Hz误差
    约束模态一阶80.2183.203.6%
    二阶84.2087.904.2%
    三阶107.27112.794.9%
    四阶113.15117.393.6%
    自由模态一阶80.3084.424.9%
    二阶168.11170.292.4%
    三阶248.81252.763.3%
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    表  6  自由尺寸优化迭代过程

    Table  6.   Iterative process of free size optimization

    迭代步 质量(kg) 优化前后质量对比 一阶固有频率(Hz) 优化前后固有频率对比
    0 13.64 +20.82% 87.61 +8.44%
    1 11.55 +6.49% 84.52 +5.10%
    2 9.92 −8.15% 83.33 +3.74%
    3 9.37 −13.24% 83.79 +4.27%
    4 9.07 −16.02% 83.62 +4.08%
    5 8.92 −17.41% 83.38 +3.80%
    6 8.83 −18.24% 83.23 +3.63%
    7 8.79 −18.61% 83.14 +3.52%
    8 8.77 −18.80% 83.09 +3.47%
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    表  7  尺寸优化迭代过程

    Table  7.   Iterative process of size optimization

    迭代步 质量
    (kg)
    优化前后
    质量对比
    一阶固有
    频率(Hz)
    优化前后
    固有频率对比
    0 12.20 +11.48% 107.65 +25.50%
    1 10.38 +3.89% 95.65 +16.15%
    2 9.25 −14.35% 83.29 +3.71%
    3 9.32 −13.70% 86.42 +7.20%
    4 9.28 −14.07% 86.52 +7.30%
    5 9.31 −13.80% 87.33 +8.16%
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    表  8  U型架对比分析

    Table  8.   Comparative analysis of U-frames

    项目 钛合金U型架 碳纤维U型架 铺层优化碳纤维U型架
    质量 19.90 kg 10.80 kg 9.31 kg
    一阶频率 83.60 Hz 80.21 Hz 89.26 Hz
    最大应力 2.29 MPa 1.26 MPa 1.76 MPa
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