空间相机结构设计中的拓扑优化及尺寸优化

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1、第33卷第6期航天返回与遥感2012年12月SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING67空问相机结构设计中的拓扑优化及尺寸优化王伟之高卫军郭崇岭李国宏(北京空间机电研究所，北京100076)摘要在复杂的整机力学环境下，以空间遥感相机支架最大自由模态为优化目标。将整机关键技术指标(基频、轻量化要求、自重变形要求等)作为约束条件，利用拓扑优化及尺寸优化技术，对某相机支架进行了优化设计试验结果表明该方法能有效提高相机基频，相机支架实现了轻量化设计，质量减轻10％，验证了拓扑优化及尺寸优化技术在空间相机

2、结构设计中的有效性关键词拓扑优化尺寸优化有限元法轻量化空间相机中图分类号：V423．4文献标识码：A文章编号：1009—8518(2012)06-0067—07D0I：10．3969~．issn．1009—8518．2012．06．011TopologyandSizeOptimizationTechnologiesAppliedinStructureDesignofSpaceCameraWANGWeizhiGAOWeijunGUOChonglingLIGuohong(BeijingInstituteofSpaceMec

3、hanics&Electricity，Beijing100076，China)AbstractBasedontopologyandsizeoptimizationtechnology，optimizationdesignofaspacecamerabracketiscompletedincomplexfiniteelementsimul~ionenvironment．Duringthetopologyoptimizationstage,theobjectivewasdefinedasthefirstfreeeigenf

4、requencyofthewholefiniteelementmodel(FEM)．Theconstraintsweredefinedasthekeytechnicalparameters，suchasconstraintmodaleigenfrequency,lightweight，staticdeformationoftheFEMofthespacecamera．TheresultsshowthatthismethodiSefective．Thefirstfreeeigenfrequencyofthespaceca

5、meraisenhancedandthelightweightdesignofthebracketisachievedwithitsweightcutby10％，bothofwhichverifiedthevalidatetopologyoptimizationandsizeoptimizationtechniquesinstructuraldesignofspacecamera．Keywordstopologyoptimization；sizeoptimization；finiteelementmethod；ligh

6、tweight；spacecamera．1引言随着空间遥感技术发展、市场竞争的加剧、用户需求的提高，空间相机朝着更高分辨率、更好的成像品质和更高的性价比及时效比方向发展。更高的分辨率通常意味着更大口径、长焦距，更好的成像品质通常意味着相机要求具有更高稳定的光机结构，性价比及时效比的提高要求相机轻量化率更高，研制周期更短。因此．对相机的设计提出了更高的要求，尤其在光机结构设计领域，需要快速的设计出满足高刚度、高稳定、轻量化的结构设计。传统的设计方法难以满足上述需求，在此背景下．结构的优化设计成为必然的趋势结构优化设计是指

7、用系统的、目标定向的过程与方法代替传统经验设计，寻求最经济、适用的结构性能收稿日期：2012—04—01基金项目：国家重大科技专项工程68航天返回与遥感2012年第33卷的一种现代设计方式⋯一般分为3个层次：拓扑优化、形貌优化、尺寸优化，分别对应于结构产品的概念设计、基本设计和详细设计阶段[21其中形貌优化和尺寸优化技术比较成熟，而拓扑优化由于其复杂性，目前仍处在研究热点中拓扑优化以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，通过寻求结构的最佳传力路径和材料分布．用最少的材料满足给定的结构性能的一种结构优化方法可以在均匀分布材料

8、的设计空间中找到最佳的分布方案当前应用比较广泛的拓扑优化算法主要有针对连续体的均匀法、变密度法、渐进结构优化法以及水平集方法等l2_31拓扑优化技术在国内外汽车、航空航天领域应用越来越广泛l4_7l。但一般仅限于在简单环境下对单件结构进行拓扑优化[5-7]．具体设计时仍主要依靠经验。某空间相机在初始设计中发现相机基频过低，难以满足