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基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计

付世欣 周超 曹玉岩 范磊 韩西达

付世欣, 周超, 曹玉岩, 范磊, 韩西达. 基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(8): 2441-2447.
引用本文: 付世欣, 周超, 曹玉岩, 范磊, 韩西达. 基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(8): 2441-2447.
Fu Shixin, Zhou Chao, Cao Yuyan, Fan Lei, Han Xida. Structural design of 4 m telescope mount base based on topology optimization method[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8): 2441-2447.
Citation: Fu Shixin, Zhou Chao, Cao Yuyan, Fan Lei, Han Xida. Structural design of 4 m telescope mount base based on topology optimization method[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8): 2441-2447.

基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计

详细信息
    作者简介:

    付世欣(1986-),男,硕士,主要从事结构仿真分析与拓扑优化设计方面的研究。Email:fshx1105@163.com

  • 中图分类号: TH751

Structural design of 4 m telescope mount base based on topology optimization method

  • 摘要: 为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求,研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先,基于连续体结构拓扑优化的思想,以单元虚拟密度为设计变量,以位移变形和一阶频率及质量为优化约束,应变能最小为优化目标,建立了底座设计的拓扑优化数学模型,并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度;然后,对底座结构应用拓扑优化设计,并以所得的理想概念构型为基础,进行底座结构的详细设计;最后,采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明,底座质量从27.66 t减至22.15 t;最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm;一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz;在减小质量的同时,有效提高了底座结构的静刚度和动刚度,验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。
  • [1]
    [2] An Yuan, Jia Xuezhi, Zhang Lei, et al. Optimizing design of CFRP based main backbone with high stiffness ratio for space camera [J]. Opt Precision Eng, 2013, 21(2): 416-422. (in Chinese)安源, 贾学志, 张雷, 等. 基于碳纤维复合材料的空间相机高比刚度主承力板优化设计[J]. 光学 精密工程, 2013, 21(2): 416-422.
    [3]
    [4] Sun Jingwei, Lv Tianyu, Yao Lishuang, et al. Design and assembly of transmitter-telescope[J]. Opt Precision Eng, 2014, 22(2): 369-375. (in Chinese)孙敬伟,吕天宇,姚丽双,等. 发射望远镜的设计和装调[J]. 光学 精密工程, 2014, 22(2): 369-375.
    [5] Xu Xinhang, Gao Yunguo, Yang Hongbo, et al. Large-diameter fast steering mirror on rigid support technology for dynamic platform [J]. Opt Precision Eng, 2014, 22(1): 117-124. (in Chinese)徐新行, 高云国, 杨洪波, 等. 车载大口径刚性支撑式快速反射镜[J]. 光学 精密工程, 2014, 22(1): 117-124.
    [6]
    [7] San Xiaogang, Sun Ning, Zhuo Renshan, et al. Design of supporting structure for primary mirror of large aperture theodolite [J]. Opt Precision Eng, 2013, 21(12): 3111-3117. (in Chinese)伞晓刚, 孙宁, 卓仁善, 等. 大口径光电经纬仪主反射镜支撑结构设计[J]. 光学 精密工程, 2013, 21(12): 3111-3117.
    [8]
    [9] Fan Lei, Zhang Jingxu, Wu Xiaoxia, et al. Optimum design of edge-lateral support for large-aperture lightweight primary mirror[J]. Opt Precision Eng, 2012, 20(10): 2207-2213. (in Chinese)范磊, 张景旭, 吴小霞, 等. 大口径轻量化主镜边缘侧向支撑的优化设计[J]. 光学 精密工程, 2012, 20(10): 2207-2213.
    [10]
    [11]
    [12] Bendsoe M P, Kikuchi N. Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1998, 71: 197-224.
    [13]
    [14] Mlejnek H P, Schirrmacher R. An engineering approach to optimal material distribution and shape finding [J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1993, 106: 1-26.
    [15]
    [16] Bendsoe M P, Sigmund O. Material interpolations in topology optimization[J]. Archive of Applied Mechanics, 1999, 69:635-654.
    [17] Park K S, Lee J H, Youn S H. Lightweight mirror design method using topology optimization [J]. Optical Engineering, 2005, 44(5): 053002-1-053002-6.
    [18]
    [19] Liu Shutian, Hu Rui, Zhou Ping, et al. Topologic optimization for configuration design of web-skin-type ground structure based large-aperture space mirror[J]. Opt Precision Eng, 2013, 21(7): 1803-1810. (in Chinese)刘书田, 胡瑞, 周平, 等. 基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法[J]. 光学 精密工程, 2013, 21(7): 1803-1810.
    [20]
    [21] Li Yuan, Jiao Mingyin, Chang Weijun, et al. Lightweight topological optimization design of scanning mirror [J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(7): 1294-1298. (in Chinese)李元, 焦明印, 常伟军, 等. 扫描反射镜轻量拓扑优化设计[J]. 红外与激光工程, 2011, 40(7): 1294-1298.
    [22]
    [23]
    [24] Xu Wei, Wu Qingwen, Zhai Yan, et al. Optimal design and analysis of long circular reflector subassembly in the space optical remote sensor [J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(3): 752-757. (in Chinese)徐炜, 吴清文, 翟岩, 等. 空间光学遥感器长圆形反射镜组件优化设计与分析[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(3): 752-757.
    [25]
    [26] Wang Yongxian, Wang Bing, Ren Jianyue, et al. Improvement of carbon fiber support structure and topology optimization design of space camera [J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(4): 702-724. (in Chinese)王永宪,王兵,任建岳,等. 空间相机碳纤维支撑结构改进及拓扑优化设计[J]. 红外与激光工程, 2009, 38(4): 702-724.
    [27]
    [28] Cao Diansheng. Topology optimization of scanning mirror of UV to near-infrared hyperspectral detector [J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(11): 3813-3819. (in Chinese)曹佃生. 紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜拓扑优化设计[J]. 红外与激光工程,2014, 43(11): 3813-3819.
    [29] Qi Guang, Xu Yanjun, Liu Bingqiang. Lightweight structure design for SiC/Al supporting plate of space mirror [J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(7): 2214-2218. (in Chinese)齐光,许艳军,刘炳强. 空间相机反射镜SiC/Al支撑板轻量化结构优化设计[J]. 红外与激光工程,2014, 43(7):2214-2218.
    [30]
    [31] Maeda Y, Nishiwaki S, Izui K, et al. Structural topology optimization of vibrating structures with specified eigenfrequencies and eigenmode shapes [J]. Int J Numer Methods Eng, 2006, 67: 597-628.
  • [1] 曲慧东, 魏加立, 董得义, 胡海飞, 关英俊.  长条形空间反射镜组件轻量化结构设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(6): 20200404-1-20200404-11. doi: 10.3788/IRLA20200404
    [2] 徐云飞, 张笃周, 王立, 华宝成.  非合作目标局部特征识别轻量化特征融合网络设计 . 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20200170-1-20200170-7. doi: 10.3788/IRLA20200170
    [3] 张超杰, 习兴华, 王永宪, 朱俊青, 关英俊.  空间遥感相机大口径反射镜结构优化设计 . 红外与激光工程, 2020, 49(2): 0214002-0214002. doi: 10.3788/IRLA202049.0214002
    [4] 李响, 李小明, 张家齐, 柳鸣, 孟立新, 张立中.  多节点激光通信天线“一体式”SiC/Al轻量化摆镜 . 红外与激光工程, 2019, 48(S1): 198-204. doi: 10.3788/IRLA201948.S118001
    [5] 汪奎, 辛宏伟, 徐宏, 任天赐.  空间相机快速反射镜的结构轻量化设计 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 418001-0418001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0418001
    [6] 穆永吉, 万渊, 刘继桥, 侯霞, 陈卫标.  星载激光雷达望远镜主镜光机分析与优化 . 红外与激光工程, 2018, 47(7): 718002-0718002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0718002
    [7] 李诚良, 丁亚林, 刘磊.  大口径反射镜水平集拓扑优化设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 918001-0918001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0918001
    [8] 邢艳秋.  空间微型光学载荷主结构优化设计与试验 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1113002-1113002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1113002
    [9] 张丽敏, 韩西达, 吕天宇, 赵宏超.  大口径望远镜次镜系统的拓扑优化设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(8): 818008-0818008(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0818008
    [10] 张永强, 刘朝晖, 李治国, 谢友金.  空间二维转台照准架的结构优化设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(S1): 104-109. doi: 10.3788/IRLA201746.S113003
    [11] Sekou Singare, 陈盛贵, 钟欢欢.  激光透射焊接聚碳酸酯的有限元分析 . 红外与激光工程, 2016, 45(2): 206005-0206005(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0206005
    [12] 张耀平, 樊峻棋, 龙国云.  变形镜在激光辐照下热畸变有限元模拟 . 红外与激光工程, 2016, 45(11): 1136002-1136002(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1136002
    [13] 伞兵, 李景林, 孙斌.  空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 3043-3048.
    [14] 孙敬伟, 吴小霞, 吕天宇, 李剑锋.  400 mm跟踪望远镜结构设计和分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2568-2575.
    [15] 汪宝旭, 朱明智, 陈晓娟, 王美聪, 吴文凯.  三自由度柔性镜框结构力学性能分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(12): 3998-4005.
    [16] 陈洪达, 陈永和, 史婷婷, 刘晓华, 傅雨田.  空间反射镜的轻量化及支撑设计研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 535-540.
    [17] 徐宏, 关英俊.  大口径SiC轻量化反射镜组件的结构设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(S1): 83-88.
    [18] 曹佃生.  紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜拓扑优化设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(11): 3813-3819.
    [19] 齐光, 许艳军, 刘炳强.  空间相机反射镜SiC/Al 支撑板轻量化结构优化设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2214-2218.
    [20] 徐炜, 吴清文, 翟岩, 郭万存, 徐振邦, 傅家.  空间光学遥感器长圆形反射镜组件优化设计与分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(3): 752-757.
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-12-10
  • 修回日期:  2015-01-13
  • 刊出日期:  2015-08-25

基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计

    作者简介:

    付世欣(1986-),男,硕士,主要从事结构仿真分析与拓扑优化设计方面的研究。Email:fshx1105@163.com

  • 中图分类号: TH751

摘要: 为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求,研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先,基于连续体结构拓扑优化的思想,以单元虚拟密度为设计变量,以位移变形和一阶频率及质量为优化约束,应变能最小为优化目标,建立了底座设计的拓扑优化数学模型,并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度;然后,对底座结构应用拓扑优化设计,并以所得的理想概念构型为基础,进行底座结构的详细设计;最后,采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明,底座质量从27.66 t减至22.15 t;最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm;一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz;在减小质量的同时,有效提高了底座结构的静刚度和动刚度,验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。

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