空间相机碳纤维蜂窝夹层光机结构研究
发布时间：2023-09-16 18:52
空间光学遥感技术已成为我国战略发展的重要领域,为了满足用户高分辨率、大视场的使用需求,空间相机中主要光学元件的口径不断增大、支撑结构日益复杂,不断提高的整机重量与火箭有限的运载能力之间产生矛盾。在这样的背景下,研究如何进一步提升空间相机支撑结构的轻量化率、减轻整机重量,对空间光学的发展具有十分重要的意义。采用新型结构材料是提升空间相机轻量化率的重要途径,碳纤维蜂窝夹层结构是一种特殊的结构材料,具有面密度低、比刚度高、抗疲劳特性好等优点,是实现空间相机轻量化设计的理想材料。碳纤维蜂窝夹层结构因其优良的力学性能,现已成为航天领域内不可或缺的材料之一,国外已将该材料应用到诸多天基光学仪器中,而在我国,该材料在空间相机中的应用尚处在探索阶段,该领域内缺少相关的科研实践。因此,本文围绕基于碳纤维蜂窝夹层结构的空间相机光机结构设计这一核心内容展开了相关的研究性工作。为了适应空间相机的分析需要,本文提出了基于正交各向异性实体单元的蜂窝夹层结构建模方法,用以替代工程分析中普遍采用的二维建模方法。新方法中将蜂窝芯子等效为“中间层”,分别使用实体单元和壳单元表征蜂窝芯子和面板,该方法可以直观地表征蜂窝板内...
【文章页数】：192 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 碳纤维蜂窝夹层结构研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内相关领域研究现状
1.3 课题研究背景
1.3.1 主承力板设计要求
1.3.2 常见结构材料及其局限性
1.4 本文主要研究内容
第2章 蜂窝夹层结构等效建模方法研究
2.1 常规二维建模方法
2.2 基于正交各向异性实体单元的等效建模方法
2.2.1 方法描述
2.2.2 等效弹性参数的推导
2.2.3 其它等效参数的推导
2.2.4 中间层等效参数小结
2.3 仿真分析精度比较
2.3.1 算例描述及蜂窝板建模
2.3.2 静力变形
2.3.3 模态分析
2.4 模态试验
2.5 本章小结
第3章 碳纤维蜂窝夹层结构主承力板方案研究
3.1 光机系统描述
3.1.1 系统组成及结构特点
3.1.2 公差分配
3.2 材料选择分析
3.2.1 碳纤维复合材料选型
3.2.2 铺层方式及材料物理属性
3.2.3 蜂窝及埋件材料
3.3 蜂窝夹层加强方案及接口
3.3.1 结构加强措施
3.3.2 接口布局
3.4 碳纤维蜂窝夹层结构主承力板方案
3.4.1 “碳纤维面板+铝蜂窝芯子”主承力板
3.4.2 “全碳纤维蜂窝夹层结构”主承力板方案
3.4.3 有限元建模
3.5 蜂窝夹层主承力板初步仿真分析
3.5.1 蜂窝主方向讨论
3.5.2 同轴相机支撑点布置方案比较
3.5.3 夹层结构主要参数影响
3.5.4 应力分布和变形趋势
3.6 两种蜂窝夹层结构主承力板方案间的比较
3.6.1 工作性能初步评估
3.6.2 等效弹性参数及轻量化率
3.6.3 工艺及结构差异
3.7 本章小结
第4章 高精度全碳纤维蜂窝夹层结构主承力板的优化研究
4.1 全碳纤维蜂窝夹层埋件设计
4.1.1 独立式埋件与贴片式埋件
4.1.2 相机支撑点共用埋件
4.2 全碳纤维主承力板的结构参数
4.3 主承力板参数化建模
4.4 蜂窝夹层结构的集成优化设计
4.4.1 光机结构的集成优化方法
4.4.2 基于Isight的集成优化模型
4.4.3 灵敏度分析
4.4.4 优化问题描述
4.4.5 基于MIGA算法的参数优化
4.5 空间环境适应能力分析
4.5.1 分析内容及工况设置
4.5.2 分析结果
4.6 动力学分析
4.6.1 模态分析
4.6.2 正弦振动分析
4.6.3 随机振动分析
4.7 本章小结
第5章 高稳定性全碳纤维主承力板的制备工艺研究
5.1 全碳纤维蜂窝夹层结构制备工艺
5.1.1 制备难点
5.1.2 全碳纤维主承力板制备过程
5.1.3 结构特点及工艺细节
5.2 全碳纤维蜂主承力板实物
5.3 消应力措施及稳定性测试
5.4 本章小结
第6章 样机试验、测试及性能研究
6.1 主承力板模态试验
6.2 力热样机静力学变形量测试
6.2.1 测试方法及原理
6.2.2 测试过程及结果
6.3 力热样机振动试验
6.3.1 扫频试验
6.3.2 正弦振动试验
6.3.3 随机振动试验
6.3.4 整机基频复测
6.3.5 静力学变形量复测
6.4 主镜面形检测
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 论文创新点
7.3 下一步的工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3847004
【文章页数】：192 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 碳纤维蜂窝夹层结构研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内相关领域研究现状
1.3 课题研究背景
1.3.1 主承力板设计要求
1.3.2 常见结构材料及其局限性
1.4 本文主要研究内容
第2章 蜂窝夹层结构等效建模方法研究
2.1 常规二维建模方法
2.2 基于正交各向异性实体单元的等效建模方法
2.2.1 方法描述
2.2.2 等效弹性参数的推导
2.2.3 其它等效参数的推导
2.2.4 中间层等效参数小结
2.3 仿真分析精度比较
2.3.1 算例描述及蜂窝板建模
2.3.2 静力变形
2.3.3 模态分析
2.4 模态试验
2.5 本章小结
第3章 碳纤维蜂窝夹层结构主承力板方案研究
3.1 光机系统描述
3.1.1 系统组成及结构特点
3.1.2 公差分配
3.2 材料选择分析
3.2.1 碳纤维复合材料选型
3.2.2 铺层方式及材料物理属性
3.2.3 蜂窝及埋件材料
3.3 蜂窝夹层加强方案及接口
3.3.1 结构加强措施
3.3.2 接口布局
3.4 碳纤维蜂窝夹层结构主承力板方案
3.4.1 “碳纤维面板+铝蜂窝芯子”主承力板
3.4.2 “全碳纤维蜂窝夹层结构”主承力板方案
3.4.3 有限元建模
3.5 蜂窝夹层主承力板初步仿真分析
3.5.1 蜂窝主方向讨论
3.5.2 同轴相机支撑点布置方案比较
3.5.3 夹层结构主要参数影响
3.5.4 应力分布和变形趋势
3.6 两种蜂窝夹层结构主承力板方案间的比较
3.6.1 工作性能初步评估
3.6.2 等效弹性参数及轻量化率
3.6.3 工艺及结构差异
3.7 本章小结
第4章 高精度全碳纤维蜂窝夹层结构主承力板的优化研究
4.1 全碳纤维蜂窝夹层埋件设计
4.1.1 独立式埋件与贴片式埋件
4.1.2 相机支撑点共用埋件
4.2 全碳纤维主承力板的结构参数
4.3 主承力板参数化建模
4.4 蜂窝夹层结构的集成优化设计
4.4.1 光机结构的集成优化方法
4.4.2 基于Isight的集成优化模型
4.4.3 灵敏度分析
4.4.4 优化问题描述
4.4.5 基于MIGA算法的参数优化
4.5 空间环境适应能力分析
4.5.1 分析内容及工况设置
4.5.2 分析结果
4.6 动力学分析
4.6.1 模态分析
4.6.2 正弦振动分析
4.6.3 随机振动分析
4.7 本章小结
第5章 高稳定性全碳纤维主承力板的制备工艺研究
5.1 全碳纤维蜂窝夹层结构制备工艺
5.1.1 制备难点
5.1.2 全碳纤维主承力板制备过程
5.1.3 结构特点及工艺细节
5.2 全碳纤维蜂主承力板实物
5.3 消应力措施及稳定性测试
5.4 本章小结
第6章 样机试验、测试及性能研究
6.1 主承力板模态试验
6.2 力热样机静力学变形量测试
6.2.1 测试方法及原理
6.2.2 测试过程及结果
6.3 力热样机振动试验
6.3.1 扫频试验
6.3.2 正弦振动试验
6.3.3 随机振动试验
6.3.4 整机基频复测
6.3.5 静力学变形量复测
6.4 主镜面形检测
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 论文创新点
7.3 下一步的工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3847004
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