机载光电平台外框架结构优化设计*

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　王平1，2刘家燕2李永刚2高玉军2

　　(1.长春理工大学光电工程学院长春130022;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033)

　　摘要:为减小机载光电平台的质量，提高机载光电平台动态性能，依据优化基本理论，以外框架壁厚、筋高和筋宽为设计变量，质量最小为目标函数，以固有频率不低于150Hz为约束条件，对光电平台外框架进行了优化设计，在满足刚度和强度的前提下，优化后的外框架最大静力学变形量增加了0.015mm，质量减小了1.4kg，固有频率提高了近40Hz。外框架经过优化后，去除了自身冗余的质量，改善了外框架的动态特性，提高了光电平台结构整机性能。最后通过振动试验验证了优化结果的正确性，和试验结果相比，仿真误差不超过10%，且优化后的外框架可以满足振动环境的使用要求。这种优化技术将为以后光电平台的设计提供有效的帮助。

　　关键词:优化设计;光电平台;外框架;有限元分析

　　中图分类号:V241.02文献标识码:A国家标准学科分类代码:460.4035

　　Optimizationdesignofouterframestructureforairborneelectro-opticalplatformWangPing1，2LiuJiayan2LiYonggang2GaoYujun2(1.SchoolofGhoto-electronicEngineeringofChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022，China;2.ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，Changchun，130033，China)

　　Abstract:Inordertoreducethequalityandimprovethedynamicperformanceoftheairborneelectro-opticalplatform，anoptimizationbasedonbasictheorywasstudied.Intheoptimizationfortheouterframeofairborneelectroopticalplatform，thewallthickness，ribheightandwidthofouterframeweretakenasdesignvariables，theminimumqualityasobjectivefunctionandthenaturalfrequencynotlessthan150Hzasconstraints.Onthepremiseofmeetingthestiffnessandstrength，themaximumstaticmechanicaldeformationofoptimizedouterframeincreasedby0.015mmqualityreduced1.4kgandnaturalfrequencyincreasednearly40Hz.Afteroptimization，theouterframesremovetheirqualityredundancyandmakebetterthedynamiccharacteristicaswellastheengineperformanceofelectro-opticalplatformisimproved.Finally，thecorrectnessoftheoptimizationresultisverifiedbythevibrationtest.Comparedwiththetestresults，theerrorofsimulationresultislessthan10%，andtheoptimizedouterframecansatisfythevibrationenvironmentrequirements.Thisoptimizationtechnologywillprovideefficienthelptothelaterdesignofelectro-opticalplatform.

　　Keywords:optimizationdesign;electro-opticalplatform;outerframe;finiteelementanalysis

　　1引言

　　机载光电平台是侦察机上装载的主要侦察监视设备，其任务是获得高质量的侦察图像。一般在光电平台内部会集成多种光电任务载荷，这些载荷只有在稳定的环境下才能保证图像质量。因此光电平台必须提供一个稳定系统，以保证各个载荷能够正常工作。光电平台的机械结构是稳定系统的重要组成部分，良好的机械结构必须满足具有较高的动态刚度和强度、体积小、重量轻、具有一定精度等特点，以克服动态环境对载荷成像质量的不利影响。因此有必要采用优化方法来对光电平台结构进行优化以提高其动态性能[1-3]。

　　优化设计是将产品设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学规划理论，采用适当的优化算法，并借助计算机和软件求解数学模型，从而得出最佳设计方案的一种先进设计方法。有限元法被广泛应用于结构优化设计中，采用这种方法任意复杂工程问题都可以通过它们的响应进行分析。随着三维CAD技术的发展，最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术会运用到产品设计的各个阶段[4-6]。

　　为了能够保证光电平台主支撑结构具有较轻的重量、合理的结构、足够的强度和刚度以及良好的动态特性，一直是光电平台研制过程中非常重要的问题，国内外文献对光电平台的研究大多集中在光电任务载荷方面，对主支撑框架的研究尚不多见。针对光电平台外框架结构设计中存在的具体问题，以质量最小为目标函数，以外框架壁厚、筋宽、筋高等尺寸作为设计变量，对光电平台外框架进行了优化设计，在保证刚度、强度的前提下，去除了外框架自身冗余的质量，改善了外框架的动态特性，取得了良好的优化效果。

　　2问题分析

　　机载光电平台外框架系统是整个内框架系统的主承力部件，受力情况比较复杂，在系统总体重量限定下，其结构应满足在质量尽量小的条件下要有足够的强度和刚度。根据结构负载情况和实际工作原理，外框架一般设计成倒U形。上部设计成圆柱形与方位组件连接，便于光电平台进行外方位运动。在两个悬臂内安装有电机和角度传感器，控制外俯仰框架进行俯仰运动。外框架结构设计的好坏直接关系到光电平台整体性能的优劣，并且重量需要严格控制。结构初步设计方案如图1所示。

　　3外框架优化设计

　　3.1优化基本理论

　　结构优化设计一般由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。设计变量是在设计过程中进行选择并最终必须确定的独立参数。常用的参数有结构的总体布局尺寸，元件的几何尺寸和材料的力学特性等。目标函数是优化设计中，将所追求的设计目标(最优目标)用设计变量的函数形式表示出来，最常见的是以质量作为目标函数，优化设计的过程即是优选设计变量使目标函数达到最优值或找到目标函数的极值的过程。约束条件是优化设计中对设计变量取值的限制条件。约束的形式，可能是对某个或某组设计变量的直接限制，也可能是对其的间接限制[7-10]。

　　4试验验证

　　优化前、后的外框架在实际中得到了应用，按实际工作状态将装有外框架的光电平台固定在专用工装架上，然后置于振动台上进行振动试验，实验中将传感器粘在外框架上，振动中试验照片如图9所示，振动量值为RMS3.6g，按照15～2000Hz进行随机振动，试验结束后，进行固有频率等指标检测，优化前后光电平台外框架测试结果对比如表2所示。从表中可以看出，和优化前相比，优化后光电平台外框架质量减小了1.4kg，一阶固有频率提高了39%，最大变形量增加到0.032mm，虽然变形量增加了77%，但仍然能够满足振动环境使用要求，这说明外框架强度是满足动力学环境要求的。仿真结果与测试结果比较接近，仿真误差不超过10%，通过分析计算误差来源其原因主要是是平台框架不可能是理想的刚体，会由于结构响应出现共振峰波。

　　5结论

　　文中基于优化基本理论，应用NX7.5软件对光电平台外框架进行了优化设计，改善了外框架材料分布状况，得到了如下优化结果:

　　1)质量由11.8kg下降至10.38kg;

　　2)基频由110.6Hz提高至159.6Hz;

　　3)最大变形量由0.014mm升至0.029mm。

　　虽然外框架静力变形量增加1倍，但仍然可以满足刚度和强度要求。经过优化后外框架质量减小了1.4kg，动态特性得到了较大改善，固有频率提高了近40Hz，这对于结构整机性能的提高具有重要意义。研究结果表明采用尺寸优化技术对光电平台外框架进行优化设计是一种行之有效的方法，该方法也可完全用于其他光电平台零、部件的优化设计。

　　参考文献

　　[1]HEFY，CUIJC，FENGSL，etal.NarcissusanalysisforcooledstaringIRsystem[J].SPIE，2007，6772:67224.

　　[2]安源，贾学志，张雷，等.基于碳纤维复合材料的空间相机高比刚度主承力板优化设计[J].光学精密工程，2013，21(2):416-422.ANY，JIAXZH，ZHANGL，etal.OptimizingdesignofCFRPbasedmainbackbonewithhighstiffnessratioforspacecamera[J].OpticsandPrecisionEngineering，2013，21(2):416-422.