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长缝光谱仪主结构的稳健优化设计

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-12        点击量:727

世界空间紫外天文台(WSO/UV)是俄罗斯、中国及欧洲共同参与研制的,工作在103~320nm波段的综合性大型空间紫外观测卫星。长缝光谱仪(LSS)作为WSO/UV的一个重要焦面仪器设备设备,主要是针对较遥远的暗弱目标天体进行中低分辨率的光谱观测,设计寿命为5年。LSS主结构是LSS的主体框架,是安装光学部件和其它部件的机械平台。为了实现LSS部件特别是光学部件的稳定支撑,确保可以承受卫星发射时的加速度过载、振动、冲击,适应工作轨道上的特殊空间环境,对主结构提出了比较高的性能要求。主结构除需要满足各项性能指标外,还由于制造加工、发射以及空间环境等存在不确定性,需要保持各项性能指标足够稳定可靠,具有较好的抗干扰能力。

本文分析了LSS主结构的结构尺寸加工公差与材料属性偏差等两类不确定性因素对LSS主结构稳健性的影响。应用稳健优化设计方法对LSS主结构进行了稳健优化设计。优化后的主结构具有较轻的质量,同时结构性能稳健,对设计参数的变动不敏感,提高了主结构的安全性,可靠性。

长缝光谱仪主结构的稳健优化设计

稳健优化设计方法

结构优化设计技术在实际工程中得到了广泛应用。传统的确定性结构优化设计中,目标函数和约束函数的计算均以设计变量和其他参数的名义值为基础,然而,实际工程问题中,结构的不确定性是无法避免的。结构中的几何尺寸、构件的空间位置、材料性能和荷载等都存在着由于制造加工和材料老化等引入的偏差或波动。结构的不确定性可能使得准则函数(目标函数)严重退化,成为劣值。特别是对于约束优化问题,优化解往往靠近约束边界,结构参数波动甚至可能使最优解违反约束(超界)成为不可行解。这就是说,一般的优化设计最优解可能是不稳健的,受不确定因素影响大。稳健优化设计是优化设计和稳健设计的结合通过调整设计变量的名义值和控制其偏差来保证设计最优解的稳健性,即一方面保证最优点的可行稳健性,当设计参数产生波动时仍能保持最优点是可行的;另一方面使最优点具有较低的灵敏度,即不灵敏性,设计参数的微小变动导致的性能指标波动小。图1描述稳健优化设计解具有的可行稳健性。由于设计参数x1、x2的波动,约束边界g1、g2对应移动Δg1、Δg2。此时一般优化设计解从可行域进入不可行域,而稳健优化设计解仍然处在可行域。图2描述目标函数的稳健性。设计1与设计2具有相同的目标函数值y;但在设计参数x同等波动下,设计2目标函数波动的;钟形;分布更;瘦小;,表明设计2具有更好的目标稳健性。一般地,众多不确定性因素主要可分为两类:一类是在设计中可以控制的因素,称为可控因素,如设计变量的制造公差等;另一类是在设计中不可控制的因素,称为不可控因素(噪声因素),如材料属性的波动、材料或元器件随着时间推移而发生老化或时效等。

 

LSS主结构稳健性分析

1、LSS主结构

WSO/UV科学仪器设备设备箱由3个有效载荷组成,示意图如图3所示。重庆计量校准对计量科学研究和计量技术基础建设;其中LSS由中国研制,另外两个有效载荷(HIRDES)由德国研制。3个有效载荷各占据仪器设备箱空间的120°,各载荷分别独立设计、制造、装调,然后相互连接组合安装成一体,连接到望远镜的光学平台上。LSS系统工作在103~320 nm紫外波段,光谱分辨本领1 000~2 000,空间分辨率1~2″。LSS的外形限制为五边形的方体,尺寸为1 099 mm×589.05 mm×448.85 mm,在顶面预留有刻槽,两个内侧面张角为120°。

本文根据限定的外形尺寸及结构性能指标,综合考虑各部件的安装调试需求并兼顾与另外两个有效载荷的连接,将LSS主结构设计为桁架式构型。LSS桁架式主结构的示意图见图4,由顶面、中间隔板,底装修饰品面板、侧装饰面板及直杆、斜杆与横梁构成,为满足通光要求,中间隔板的相应位置开通光孔。结构通过连接凸块,顶面内侧面(与另两有效载荷进行连接的两侧面)与外部相连接。

结构整体采用CeSiC材料。CeSiC材料是一种新型的复合陶瓷材料,具有优异的机械及热性能,表现为高刚度、低密度、低线热膨胀系数、高热传导率、高抗蠕变性能和高化学稳定性等特点。材料的主要机械属性为密度ρ=2.65×,弹性模量E=249×MPa,泊松比μ=0.17。

LSS系统要适应火箭发射力学环境(包括加速度、振动和冲击等),结构必须具有足够的强度和刚度。三轴方向的加速度分别为X向5g;Y向5g;Z向10g(Z向为光轴方向)[6]。LSS系统进入工作轨道后,温控系统将工作环境温度稳定在(20±1)℃。工作环境温度场较稳定,对LSS结构系统影响小。将结构质量作为LSS主结构设计目标,将动态刚度条件(结构自振频率要求)作为约束条件,对强度条件和工作环境温度变化效应进行校核。项目组要求主结构总体质量<40kg,结构基频>70 Hz。

2、LSS主结构稳健性分析

LSS主结构选型确定后,对LSS主结构进行确定性结构优化,得出了最优解。但是确定性优化中,各选定参数是固定不变的,即没有波动。但如上文所述,结构几何尺寸、材料属性、生产加工、装配等都会产生偏差。这些结构参数的波动可能导致结构性能的较大波动,甚至违反约束。因此有必要对主结构进行稳健性分析。

1)结构尺寸不确定

主要考虑结构尺寸的加工公差(±0.1 mm),属于可控因素。选取组成结构的11个几何尺寸作为设计变量,分别是顶面厚度、中间板厚度、底板厚度、侧装饰面板厚度、管外径、管厚度、中板高度、底板高度、光栅部件厚度、支撑位置和支撑杆件直径。其中顶面厚度、光栅部件厚度服从正态高斯分布,其余变量服从均匀分布,概率分布如表1,各变量相互独立。设计变量的均值由确定性优化方法进行结构优化得出。

采用ANSYS概率设计模块(ProbabilisticDesign)进行分析[8],以响应面分析方法(Re-sponse Surface Method Analysis)作为求解方法,采用中心抽样法(Central Composite DesignSampling)抽样。按照中心抽样法,对11个变量,程序进行了151次抽样计算。对151次的抽样结果进行最小二乘法拟合,得到输出与输入变量之间的数学表达式(响应面函数)。根据响应面函数,进行500 000次的蒙特卡罗模拟(MonteCarlo Simulation),统计输出变量的均值、偏差等。

经过计算,结构基频的分布如图5,类似正态分布,均值为72.12 Hz,其最大值为73.83HZ、最小值为70.39Hz。在假定的各输入变量的概率分布下,结构基频都>70 Hz,满足约束条件。

各设计变量对结构频率的灵敏度如图6直方图与饼图所示。振动仪器检测:机械振动台、数字振动台、振动测试仪、测振仪。重庆计量校准计和工作计量器具的检定、校准及检测工作;灵敏度越大的变量其相应的直方块与饼面积也越大,可以看出:底装饰面板高度对基频的影响最大,并且为负向灵敏度;杆件厚度、杆件外径、侧装饰面板厚度次之,为正向灵敏度;中间板厚度、光栅部件结构与基频关系不大。灵敏度最大的底板高度公差的适当减小,可以较明显提高基频,而灵敏度小的尺寸公差则可适当放松。

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