星载单端固定长杆型载荷的结构优化设计

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1、制造技术研究航天制造技术星载单端固定长杆型载荷的结构优化设计1,21,21,2董永进关燚炳安雅雅（1.中国科学院国家空间科学中心，北京100190；2.天基空间环境探测北京市重点实验室，北京100190）摘要：提出了一种适用于卫星上搭载的单端固定安装且具有长杆形状的有效载荷的结构设计方案。此种形状以及固定安装方式的载荷一般具有较低的谐振频率，很难通过力学环境模拟试验。本文提出的结构设计方案在多次失败方案基础上以及有限元分析的辅助下进行了针对性的优化，避免了结构尺寸突变带来的应力集中，对应力过大的部位进行了局部加固，在

2、材料选择方面创新的采用了碳纤维复合材料，经过试验验证，选择此种材料以及设计的载荷能够很好地通过力学环境模拟试验，且相比于金属材料制造来说，载荷的某些力学特性更加优越。关键词：单端固定；长杆型载荷；结构设计；优化设计AMechanicalOptimizationDesignforLong-Pole-ShapedPayloadsFixedatOneEndDongYongjin1，2GuanYibing1，2AnYaya1，2(1.NationalSpaceScienceCenterChinaAcademyofScienc

3、e,Beijing100190;2.BeijingKeyLaboratoryofSpaceEnvironmentExploration,Beijing100190)Abstract：Inthispaperamechanicaloptimizationdesignforthelong-pole-shapedastronomicpayloadsfixedatoneendisproposed.Usuallythistypeofpayloadshavealowresonantfrequency.Soitishardforit

4、topassthedynamicenvironmenttesting.WiththeFEAresult,thenewoptimizationdesigncanescapefromthestressconcentrationbyavoidingacutedimensionchange.Atthesametimetheweakpartisreinforcedtoavoidthefailure.Innovativelythecarbonfiberisusedtomanufacturethemainpartofthepayl

5、oads.Thedynamicenviromenttestingprovedthatithasmoreoutstandingdynamicfeaturescomparedwithmetals.Keywords：fixedatoneend；long-pole-shapedpayloads；mechanicaldesign；optimizationdesign1引言测器在力学方面的一个明显缺陷就是谐振频率较低，在外界较低频率的振动激励下就会产生共振从而极易探针是目前空间环境探测中应用较为广泛的等离导致探测器的损坏[2]。

6、子体探测类仪器（如朗谬尔探针），可以测量空间等离本文中为某型号研制的朗谬尔探针，在真实环模子体的电子密度、电子温度等[1]，同时能够侦测航天器试验结果和有限元分析的帮助下，经历了多个设计方表面电位的动态变化，为航天器自身安全护航。案的逐步优化和改进，终于获得了设计上的成功。基于探测原理，探针一般设计成为长伸杆形状，顶端有球形传感器。伸杆用于消除飞行器本体对测量2最初设计方案a的影响，传感器用于收集空间等离子体电流。探针的基本造型为长杆型零件，底端为固定端，2.1方案细节通过螺钉等紧固件与飞行器本体固连。此种造型的探图

7、1是该探针的最初设计方案a，伸杆直径20mm，作者简介：董永进（1979-），博士，机械结构设计、仿真分析专业；研究方向：空间环境探测类卫星载荷的研制。收稿日期：2016-09-1921制造技术研究2016年10月第5期长度400mm，顶部传感器球直径50mm，底部安装圆对此方案的探针进行振动试验，探针能够通过正盘直径60mm，安装孔为四个圆周均布的Ф4.5mm圆弦振动试验，但是在随机振动试验中，长杆再次发生孔，紧固螺栓为M4规格。长杆采用硬铝2A12材质，断裂，同时传感器球体下端支撑柱也发生断裂，如图4顶部传感器球

8、采用不锈钢1Cr18Ni9Ti材质。所示。图4方案b振动试验结果图1探针最初设计方案a4问题分析和有限元分析结果2.2力学试验结果在正弦振动试验中，伸杆底部与固定圆盘连接处从两个设计方案的振动试验结果，得出如下结论：断裂失效，如图2所示。a.长杆型零件的谐振频率一般很低，环模试验中的正弦振动扫描频率不超过100Hz，方案a的一阶振动基频应该在1