大幅宽高分辨光学卫星一体化结构多目标优化设计

doi:342F6EA2042D797DED9DD23CAB6DE218

	大幅宽高分辨光学卫星一体化结构多目标优化设计
	杨林
学位类型	博士
导师	张雷
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	卫星一体化结构多目标优化隔振设计无成像微振动建模分析试验验证
摘要	大幅宽高分辨光学卫星因其大视场,高分辨率的成像可以快速实现大面积区域覆盖和详查,成为对地观测领域的重要发展方向。在有限的重量约束下,卫星结构设计需要同时满足多个设计目标,而这些目标都是相互影响的,很难同时达到最优,这类问题称为多目标优化问题,是空间技术领域的重要课题。本文所研究的卫星代号宽幅卫星,其有效载荷是一台大型离轴三反光学相机,围绕该光学相机设计的卫星平台自身重量小于180kg,负责支撑相机及其他各分系统总质量超过1120kg,卫星平台还要负责承受和传递包括轴向和横向过载,以及谐波激励载荷、微振动载荷外载荷并保持稳定性,满足强度、刚度、动力学响应、抗扰振性能等多个设计目标。本文采用的结构一体化设计思路,有利于实现设计约束的良性分配,各分系统得以聚焦主要设计任务,最大化发挥卫星成像性能,降低系统设计冗余,减小卫星重量和尺寸,最终实现各项设计指标。本文针对宽幅卫星结构设计,以结构一体化的设计理念,采用基于遗传算法的多目标优化设计方法,分别对卫星平台结构进行优化设计,以及围绕卫星总体抗扰振性能要求,提出了一种无成像微振动集成建模分析方法,对卫星进行隔振多目标设计。本文主要从以下4个方面进行了研究。1.卫星结构设计多目标优化理论分析。首先将本文研究对象宽幅卫星一体化结构等效为二自由度弹簧阻尼模型,分析各分系统连接刚度和连接阻尼对其他各分系统频率响应特性的影响;其次对微振动的产生和抑制方法在理论上进行解释;然后,阐述了多目标优化遗传算法及其适用性,并利用该算法,以宽幅卫星的相机桁架力热变形为多目标,进行了算例研究得到优化后的铺层角度,通过试验进行了验证;最后,讨论了卫星结构分步多目标优化的研究框架,确定了各设计阶段的主要设计目标。2.研究卫星平台结构拓扑,多目标结构尺寸优化和有限元法分析卫星动力学性能。首先,利用变密度法,以X/Y/Z三方向柔度最小为目标,对卫星平台结构进行结构形貌拓扑优化,得到初始结构形式。阐述桁架截面尺寸和蜂窝夹层板截面尺寸对动力学响应的影响,以横向和纵向正弦振动激励下光学相机关键位置响应最小为设计目标,基础频率为约束,在Isight环境下利用NSGA-II遗传算法进行迭代设计。最后得到Pareto最优解即平台结构19个设计变量的优化尺寸,卫星平台结构质量177.7kg,优于同类型卫星指标;最后利用数值仿真法分析卫星系统动力学特性,结果表明满足强度和刚度要求。3.首次提出一种适用于大型离轴三反光学卫星的无成像微振动集成建模分析方法,并对隔振装置结构尺寸进行多目标优化和实施。首先阐述飞轮扰振产生机理和对成像影响原理,给出离轴三反光学系统反射镜位移引起像移的光学放大系数以及利用有限元和MATLAB程序进行无成像微振动分析详细建模方法。以Y向像移为算例,分析了主镜、次镜、三镜、折叠镜对像移的影响程度。利用Isight环境下的NSGA-II多目标优化遗传算法,对隔振装置的结构尺寸进行了优化,得到12个相关设计变量的优化尺寸并实施隔振。4.开展宽幅卫星的地面动力学试验,验证一体化结构设计的有效性。首先是正弦振动试验,利用振动台模拟发射阶段低频激励,得到卫星一体化结构的频率响应,结果满足单机设备对正弦振动幅值不大于8g的要求。然后是微振动试验,提出无成像微振动测试方案,利用准零刚度原则的悬吊法,测试反作用飞轮扰振力和力矩引起的像移,试验结果X方向像移优于0.228个像元,Y向像移优于0.237个像元,表明基本满足微振动设计要求,隔振设计有效。
页数	181
DOI	342F6EA2042D797DED9DD23CAB6DE218
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63875
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	杨林. 大幅宽高分辨光学卫星一体化结构多目标优化设计[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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