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高精度空间二维转台轻量化结构设计与分析

刘铁军  
【摘要】:光电转台在工业和军事上已经得到广泛的应用,根据转台使用范围和使用环境的不同可将其分为天基转台和地基转台,而本课题研究的空间二维转台就是天基转台。 空间二维转台是星载设备的主要载体,其主要功能是为星载设备提供安装承载平台和二维指向作用,是影响星载设备性能的关键部件之一。卫星总体对空间二维转台的精度、重量、刚度等指标提出了严格的要求,因此必须对转台进行合理的结构设计,使高刚度与轻质量同时兼备,且不受动力学环境的影响,保持转台结构具有良好的动态响应特性。本课题研究的空间二维转台指向精度优于20",重量小于7kg,其技术指标处于世界领先水平,代表了我国空间转台领域的较高水平。本课题以该转台作为主要研究对象,开展以下研究工作: 1.在充分研究国内外高精度空间转台发展趋势的基础上,对空间转台的结构形式和材料进行全面分析和研究,对转台高精度轴系的设计、高精度转台轴系的误差分析与检测等方面进行了论述。 2.在空间二维转台主要结构件-照准架的设计方案中,采用结构轻量化与轻量化材质相结合的方式进行轻量化设计,利用UG软件建立照准架三维模型,并用有限元分析软件(MSC.Patran/Nastran)根据其特点进行必要的有限元分析,并对其进行结构拓扑优化设计,通过若干次迭代,照准架重量由2.47kg减少到1.87kg,而基频仍然满足结构设计要求,从而在理论上证明该照准架轻量化方案的科学性及可实施性。 3.在对转台结构研究的基础上,对空间转台进行理论分析及论证,建立转台的三维模型、有限元模型和控制模型,并用有限元分析手段对转台运输、在轨工作及发射基本工况进行静力学、动力学等工程分析,分析结果表明,转台在X、Y、Z三个方向的模拟激励下,结构性能稳定,不会发生破坏或残余变形,且转台基频为52.7Hz,而卫星的基频为40Hz左右,转台基频高于卫星基频,因此不会产生耦合共振现象的发生,通过理论分析证明该转台结构强度较大,可以实现高精度、高刚度、低质量、小体积,并能够保证有效载荷所需的总体要求。 4.为了验证空间二维转台结构设计及工程分析的正确性,对转台进行了相关力学验证试验。试验结果表明:转台基频为49.7Hz,而空间二维转台的有限元分析结果为52.7Hz,二者相差不大;在三个振动方向上,空间二维转台在正弦、随机振动载荷作用下的最大响应,安全裕度(M.S)均大于0.3,满足强度要求。验证试验结果充分说明结构设计的合理及工程分析的正确性。 本文通过工程分析和验证试验相结合的方式,证明该空间二维转台在结构设计方面实现高精度、转台轻量化的同时,还达到了总体的技术指标要求,即指向精度小于20”,空间转台质量6.83kg,证明了结构设计方案的可行性。本文所应用的理论知识和分析后的仿真结果,可为将来研究同类型空间设备提供参考。


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