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星敏感器支撑结构多目标拓扑优化设计与试验

程龙,  王栋,  谷松,  高飞,  杨林,  李林

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程龙, 王栋, 谷松, 高飞, 杨林, 李林. 星敏感器支撑结构多目标拓扑优化设计与试验[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(5): 520001-0520001(9). doi: 10.3788/IRLA201746.0520001
引用本文: 程龙, 王栋, 谷松, 高飞, 杨林, 李林. 星敏感器支撑结构多目标拓扑优化设计与试验[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(5): 520001-0520001(9). doi: 10.3788/IRLA201746.0520001
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Cheng Long, Wang Dong, Gu Song, Gao Fei, Yang Lin, Li Lin. Multi-objective topology optimization design and test for support structure of star sensor[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(5): 520001-0520001(9). doi: 10.3788/IRLA201746.0520001
Citation: Cheng Long, Wang Dong, Gu Song, Gao Fei, Yang Lin, Li Lin. Multi-objective topology optimization design and test for support structure of star sensor[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(5): 520001-0520001(9). doi: 10.3788/IRLA201746.0520001
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星敏感器支撑结构多目标拓扑优化设计与试验

doi: 10.3788/IRLA201746.0520001
  • 1.

    中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033;

  • 2.

    中国科学院大学,北京 100049;

  • 3.

    长光卫星技术有限公司,吉林 长春 130033

基金项目: 

国家自然科学基金（41501383）

详细信息
    作者简介:

    程龙(1989-),男,硕士生,主要从事小卫星结构设计方面的研究。Email:chenglongrock@163.com

  • 中图分类号: V432.3

Multi-objective topology optimization design and test for support structure of star sensor

  • 1.

    Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;

  • 2.

    University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;

  • 3.

    Chang Guang Satellite Technology Ltd,Changchun 130033,China

  • 摘要: 针对微小卫星对星敏感器的特殊要求，结合星敏感器特殊的工作性能和环境，采用拓扑方法对星敏感器支撑结构进行多目标优化设计并进行有限元分析和试验。首先，对模态分析和随机振动响应的基本理论进行介绍，推导出多目标拓扑优化的表达公式；其次，以支撑结构的体积最小和星敏感器在支撑结构上的四个安装点RMS值最小为目标，以最低自振频率为约束，建立支撑结构的拓扑优化模型，利用OptiStruct软件对其进行拓扑优化设计；然后利用MSC.PatranNastran有限元分析软件对优化后的支撑结构进行模态分析和随机振动响应分析，得到基频为327 Hz ，安装点RMS值的放大率最大为1.55；最后，对支撑结构进行振动试验，试验结果和有限元分析结果的相对误差最大为6.68%，二者吻合较好，该星敏感器支撑结构满足微小卫星对其性能指标的要求。
    Abstract: According to the special requirements of star sensor for micro satellite, combined with special working performance and environment of star sensor, multi-objective optimization design was carried out on the support structure of star sensor by using topological method, and finite element analysis and test were also done. First, the basic theory of modal analysis and random vibration response were introduced in this paper. The expression formula of multi-objective topology optimization was derived. Second, the goal of optimization contains volume minimization of the support structure, and RMS value minimization of 4 installation point in the support structure where star sensor was installed. The topology optimization model of the support structure was established under the restriction of the lowest natural frequency. The topology optimization design was carried out by using OptiStruct software. Then, the modal analysis and random vibration response analysis of the optimized support structure were made by using finite element analysis software MSC.PatranNastran. The natural frequency was 327 Hz, the maximum amplification rate of the RMS value of the installation point was 0.55. Finally, the support structure was tested with the random vibration test. The test results are in good agreement with the finite element analysis results, and the maximum error is 0.07. The support structure of star sensor meets the requirements of the performance index for micro satellite.
  • [1] Li ang Bin, Zhu Hailong, Zhang Tao, et al. Research status and development tendency of star tracker technique[J]. Chinese Optics, 2016, 9(1):16-29. (in Chinese)梁斌, 朱海龙, 张涛, 等. 星敏感器技术研究现状及发展趋势[J]. 中国光学, 2016, 9(1):16-29.
    [2] Fu Shixin, Zhou Chao, Cao Yuyan, et al. Structural of 4 m telescope mount base on topology optimization method[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8):2441-2447. (in Chinese)付世欣, 周超, 曹玉岩, 等. 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.
    [3] 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]. Optics and Precision Engineering, 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.
    [4] Fan Wenjie, Fan Zijie, Su Ruiyi. Research on multi-objective topology optimization on bus chassis frame[J]. China Mechinal Engineering, 2008, 19(12):1505-1508. (in Chinese)范文杰, 范子杰, 苏瑞意. 汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究[J]. 中国机械工程, 2008, 19(12):1505-1508.
    [5] Ni Yun, Zhan Jinqing, Zhu Dachang. Multi-objective optimization design of compliant mechanisms using hybrid cellular automata method[J]. China Mechinal Engineering, 2012, 23(7):860-864. (in Chinese)倪昀, 占金青, 朱大昌. 基于混合元胞自动机的柔顺机构多目标拓扑优化方法[J]. 中国机械工程, 2012, 23(7):860-864.
    [6] Zhang Jingxin, Liang Wei, Xia Yang. Research on construction method of objective function for multi-objective Topology Optimization in structure[J]. China Mechinal Engineering, 2016, 27(7):899-903. (in Chinese)张璟鑫, 梁伟, 夏阳. 结构多目标拓扑优化目标函数构建方法的研究[J]. 中国机械工程, 2016, 27(7):899-903.
    [7] Ali A, Dhingra A K. Multi-objective optimization of actively controlled structures with topological considerations[J]. Journal of Vibration And Control, 2016, 22(5):1306-1319.
    [8] Chu Changbo, Chai Wenyi, Zhang Haosu, et al. CFRC outer baffle structure modal analysis and test of space camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(4):1033-1037. (in Chinese)初昶波, 柴文义, 张昊苏, 等. 航天相机碳纤维外罩结构及模态分析和试验[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(4):1033-1037.
    [9] Xue Zhipeng, Li Ming, Jia Hongguang, et al. Modal method based dynamic analysis of cantilever type elastic structures[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(8):2250-2257. (in Chinese)薛志鹏, 厉明, 贾宏光, 等. 模态方法下的悬臂梁/类悬臂梁弹性构件的动力学建模[J]. 光学精密工程, 2015, 23(8):2250-2257.
    [10] Li Zongxuan. Analysis and test on the response of primary mirror flexure under random vibratio[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(1):101-107. (in Chinese)李宗轩. 主反射镜组件柔性环节随机振动响应分析与试验[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(1):101-107.
    [11] Cheng Xi, Yao Linquan, Sha Feng. Random vibration analysis of vehicle-track-bridge coupling system based on pseudo-excitation method[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2015, 36(2):261-269. (in Chinese)程曦, 姚林泉, 沙峰. 基于虚拟激励法的车-轨-桥耦合系统的随机振动响应分析[J]. 力学季刊, 2015, 36(2):261-269.
    [12] Liu Xiumin, He Bin, Sha Wei, et al. Topological lightweight design of primary mirror in space camera[J]. Chinese Optics, 2010, 3(3):239-244. (in Chinese)刘秀敏, 何斌, 沙巍, 等. 空间相机主反射镜的拓扑优化设计[J]. 中国光学, 2010, 3(3):239-244.
    [13] Liang Biao, Liu Wei, Chen Cheng. Multi-objective optimization design of lens barrel for the carbon dioxide detector[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(7):1858-1866. (in Chinese)梁彪, 刘伟, 陈程. 二氧化碳探测仪镜筒结构的多目标优化设计[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(7):1858-1866.
  • [1] 张阳, 莫德锋, 范崔, 石新民, 俞君, 龚海梅, 李雪.  超大面阵红外探测器冷平台支撑结构研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(2): 20220445-1-20220445-7. doi: 10.3788/IRLA20220445
    [2] 勾万祥, 佟帅, 贾靖玉, 秦梓轩, 孙吉福, 李崇辉.  全天时星敏感器光学响应波段优化设计及试验验证 . 红外与激光工程, 2023, 52(11): 20230221-1-20230221-11. doi: 10.3788/IRLA20230221
    [3] 王轩, 赵晨起.  弹载光学系统复合材料支撑结构低热膨胀优化 . 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220742-1-20220742-11. doi: 10.3788/IRLA20220742
    [4] 任平川, 周琦, 金荷, 宋卿争, 缪鹏飞.  星敏感器动态精度评价方法 . 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210571-1-20210571-8. doi: 10.3788/IRLA20210571
    [5] 刘小涵, 李双成, 李美萱, 张容嘉, 张元.  离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20210025-1-20210025-9. doi: 10.3788/IRLA20210025
    [6] 丛杉珊, 王升, 孙美娇, 薛志鹏, 杨帆, 王宇, 陈茂胜, 张雷.  具备调焦功能的空间光学载荷支撑结构设计(特邀) . 红外与激光工程, 2021, 50(10): 20210476-1-20210476-7. doi: 10.3788/IRLA20210476
    [7] 冯婕, 李豫东, 文林, 郭旗.  CMOS图像传感器辐射损伤导致星敏感器性能退化机理 . 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20190555-20190555-7. doi: 10.3788/IRLA20190555
    [8] 李晟, 范斌, 王伟刚, 李康.  深低温SiC空间反射镜背部与侧面支撑结构对比 . 红外与激光工程, 2020, 49(2): 0214003-0214003. doi: 10.3788/IRLA202049.0214003
    [9] 马聪, 李威, 张远清, 李晓波, 安明鑫.  深空探测遥感相机支撑结构设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(6): 618004-0618004(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0618004
    [10] 袁健, 沙巍, 任建岳.  空间相机用变形镜的支撑结构设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 718001-0718001(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0718001
    [11] 谢军, 何锋赟, 王晶, 高阁, 赵天骄, 刘震宇.  经纬仪主镜轴向支撑结构仿真与优化 . 红外与激光工程, 2016, 45(S1): 132-137. doi: 10.3788/IRLA201645.S118001
    [12] 李林, 王栋, 谭陆洋, 孔林, 杨洪波.  微小卫星天线与飞轮共支撑结构优化设计与试验 . 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1018008-1018008(7). doi: 10.3788/IRLA201645.1018008
    [13] 崔祥祥, 王宏力, 陆敬辉, 乔兴, 邓长智, 张勇, 赵爱罡.  适用于小视场星敏感器的导航星表构建方法 . 红外与激光工程, 2015, 44(4): 1249-1253.
    [14] 李健, 张广军, 魏新国.  多视场星敏感器数学模型与精度分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(4): 1223-1228.
    [15] 江帆, 王忠素, 陈立恒, 吴清文, 郭亮.  星敏感器组件的热设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(11): 3740-3745.
    [16] 丁玲, 王涛, 杨洪波, 贾宏光.  高精度标准镜支撑结构的研究与设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(4): 1172-1175.
    [17] 孙高飞, 张国玉, 高玉军, 王凌云, 苏拾, 付芸, 王向东.  星敏感器地面标定设备的设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(10): 2822-2827.
    [18] 任秉文, 金光, 王天聪, 钟兴, 张鹏.  机载全天时星敏感器参数设计及实验 . 红外与激光工程, 2013, 42(4): 1003-1010.
    [19] 刘朝山, 刘光斌, 杨波, 周浩.  弹载星敏感器像移模型及其仿真分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(5): 1311-1315.
    [20] 李葆华, 陈希军, 郑循江, 泮宏梁.  星敏感器高动态下自主星跟踪算法 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 190-195.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-10
  • 修回日期:  2016-10-20
  • 刊出日期:  2017-05-25

星敏感器支撑结构多目标拓扑优化设计与试验

doi: 10.3788/IRLA201746.0520001
  • 1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033;
  • 2. 中国科学院大学,北京 100049;
  • 3. 长光卫星技术有限公司,吉林 长春 130033
    • 作者简介:

    程龙(1989-),男,硕士生,主要从事小卫星结构设计方面的研究。Email:chenglongrock@163.com

  • 收稿日期: 2016-09-10
  • 修回日期: 2016-10-20
  • 刊出日期: 2017-05-25
基金项目:

国家自然科学基金（41501383）

  • 中图分类号: V432.3

摘要: 针对微小卫星对星敏感器的特殊要求，结合星敏感器特殊的工作性能和环境，采用拓扑方法对星敏感器支撑结构进行多目标优化设计并进行有限元分析和试验。首先，对模态分析和随机振动响应的基本理论进行介绍，推导出多目标拓扑优化的表达公式；其次，以支撑结构的体积最小和星敏感器在支撑结构上的四个安装点RMS值最小为目标，以最低自振频率为约束，建立支撑结构的拓扑优化模型，利用OptiStruct软件对其进行拓扑优化设计；然后利用MSC.PatranNastran有限元分析软件对优化后的支撑结构进行模态分析和随机振动响应分析，得到基频为327 Hz ，安装点RMS值的放大率最大为1.55；最后，对支撑结构进行振动试验，试验结果和有限元分析结果的相对误差最大为6.68%，二者吻合较好，该星敏感器支撑结构满足微小卫星对其性能指标的要求。

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