带指向性约束的单一材料结构热变形优化设计方法技术

本发明专利技术提出一种带指向性约束的单一材料结构热变形优化设计方法，首先根据星敏感器支架的设计要求，建立星敏感器支架的初始三维参数化模型；而后以星敏感器支架在设备舱板上的安装点位置作为设计变量，以星敏感器安装面在设定的温度范围内，指向偏角绝对值最小为目标函数，以星敏感器安装面位置保持不变、安装点之间的连接关系保持不变、全局应变能小于设定值、基频大于设定值为约束条件，建立优化模型；通过求解优化模型得到最终优化结果。本发明专利技术从星敏感器支架在设备舱板上的安装点位置出发，通过对安装点位置进行优化设计，采用对称化设计实现某些特定方向上结构热变形的相互抵消，从而降低星敏感器安装面指向角度在变温环境下的控制难度。下的控制难度。下的控制难度。

【技术实现步骤摘要】
带指向性约束的单一材料结构热变形优化设计方法


[0001]本专利技术涉及星敏感器支架结构设计
，具体为一种带指向性约束的单一材料结构热变形优化设计方法，用于星敏感器支架指向性保形优化设计。

技术介绍

[0002]随着空间技术的发展，卫星对星敏感器指向精度的要求越来越高。星敏感器支架作为将星敏感器以特定角度安装在卫星设备舱板上的装置，其中的星敏感器安装面的指向性精度直接影响星敏感器的测量精度。
[0003]卫星所在空间存在高低温交替环境，然而由于材料的热胀冷缩，星敏感器支架在空间复杂变温环境下产生的不平衡热变形会严重影响星敏感器安装面的指向精度。因此为了降低星敏感器支架的热变形对星敏感器测量精度的影响，目前主要通过以下两种途径对星敏感器支架的热变形进行控制：一是采用低热膨胀系数的材料设计星敏感器支架，如因瓦合金等，但这类材料往往密度较大，导致结构重量冗余，不利于航天产品轻量化；二是采用两种不同热膨胀系数的材料进行匹配设计，通过具有不同热膨胀系数的材料之间变形制约协调，以最终实现星敏感器支架的整体热变形调控，但这种设计方法需要考虑两种材料的连接设计，增加了设计复杂度和制备难度。

技术实现思路

[0004]为降低星敏感器支架的热变形对星敏感器测量精度的影响，并且克服现有技术存在的问题，本专利技术另辟蹊径，并没有对星敏感器支架的材料进行改进设计，而是允许星敏感器支架结构发生热变形，从星敏感器支架在设备舱板上的安装点位置出发，通过对安装点位置进行优化设计，采用对称化设计实现某些特定方向上星敏感器支架结构热变形的相互抵消，从而降低星敏感器安装面指向角度在变温环境下的控制难度。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]所述一种带指向性约束的单一材料结构热变形优化设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：根据星敏感器支架的设计要求，建立星敏感器支架的初始三维参数化模型；其中从星敏感器支架在设备舱板上的安装点到星敏感器支架中的星敏感器安装面之间，通过若干连接杆实现连接，组成星敏感器支架三维参数化模型；且星敏感器支架在设备舱板上的所有安装点整体布局采用对称布局；
[0008]步骤2：构建优化模型：
[0009]以星敏感器支架在设备舱板上的安装点位置作为设计变量，以星敏感器支架中的星敏感器安装面在设定的温度范围内，指向偏角绝对值最小为目标函数，以星敏感器安装面位置保持不变、星敏感器安装面与星敏感器支架在设备舱板上的安装点之间的连接关系保持不变、星敏感器支架的全局应变能小于设定值、星敏感器支架的基频大于设定值为约束条件，建立优化模型；
[0010]所述指向偏角指星敏感器安装面因最大允许温差导致星敏感器支架变形而产生
的指向偏差，其值是通过有限元软件提取星敏感器安装面的安装孔坐标计算得到；
[0011]所述全局应变能指在星敏感器安装面的若干安装孔整体几何中心位置施加垂直于星敏感器安装面的集中力载荷后，星敏感器支架变形产生的全局应变能，通过有限元软件直接解算得到；
[0012]所述基频指对星敏感器支架进行模态分析后，星敏感器支架的一阶模态，通过有限元软件直接解算得到；
[0013]步骤3：采用优化算法对步骤2建立的优化模型进行迭代计算，得到满足优化约束条件且目标函数最优的设计变量；其中每次迭代过程中，通过有限元仿真计算得到前设计变量对应的星敏感器安装面的指向偏角，以及星敏感器支架的全局应变能和基频。
[0014]进一步的，步骤1中，当星敏感器支架在设备舱板上的安装点个数为奇数时，则存在奇数个安装点处于对称面上，其余安装点相对对称面左右对称；当星敏感器支架在设备舱板上的安装点个数为偶数时，则没有安装点处于对称面上或存在偶数个安装点处于对称面上，其余安装点相对对称面左右对称。
[0015]进一步的，星敏感器支架在设备舱板上的安装点为5个，其位置处于同一圆周上，且以所述圆周的圆心与某一安装点连线为对称轴，其余四个安装点两两分为一组，两组安装点相对对称轴左右对称；
[0016]以处于对称轴上的安装点为第一安装点，其与相邻安装点的圆心角为θ1，与间隔安装点的圆心角为θ2，所述圆周直径为D，并得到星敏感器安装面的整体几何中心到星敏感器支架设备安装面的垂直距离h；
[0017]采用(θ1，θ2，D，h)作为表示星敏感器支架在设备舱板上的安装点位置的设计变量，且在优化过程中，保持5个安装点处于同一圆周上，且两组安装点相对对称轴左右对称的约束条件。
[0018]进一步的，星敏感器支架在设备舱板上的安装点为5个，其中有四个安装点两两分为一组，且两组安装点相对两组安装点之间的某一直线左右对称，第5个安装点处于对称轴上；构建直角坐标系，以所述对称轴上某一点为原点，对称轴为Y轴，以对称轴一侧的两个安装点坐标x1，y1，x2，y2、所述第5个安装点的y轴坐标y3、以及星敏感器安装面的整体几何中心到星敏感器支架设备安装面的垂直距离h组成设计变量序列(x1，y1，x2，y2，y3，h)；且在优化过程中，保持两组安装点相对两组安装点之间的某一直线左右对称，第5个安装点处于对称轴上的约束条件。
[0019]有益效果
[0020]本专利技术为降低星敏感器支架的热变形对星敏感器测量精度的影响，从星敏感器支架在设备舱板上的安装点位置出发，通过对安装点位置进行优化设计，降低星敏感器支架结构本身热变形所引起的指向性变形，从而降低星敏感器支架的热变形对星敏感器测量精度的影响。
[0021]本专利技术摈弃传统方案中约束材料热变形的思路，而是抓住星敏感器测量精度的关键因素：星敏感器安装面的指向性；本专利技术的方案中，在允许星敏感器支架结构发生热变形的条件下，通过对安装点位置的优化设计，使得星敏感器支架结构发生热变形时，实现某些特定方向上星敏感器支架结构热变形的相互抵消，从而降低星敏感器支架结构的指向性变形，使其满足特定的指向性要求，从而降低星敏感器支架的热变形对星敏感器测量精度的
影响。而且星敏感器支架采用单一材料即可实现本专利技术的技术方案，且该方法对不同材料具有普适性。
[0022]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0023]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0024]图1为本专利技术星敏感器支架指向性保形优化设计方法的流程示意图。
[0025]图2为本专利技术实施例1中的星敏感器支架初始结构示意图。
[0026]图3为本专利技术实施例1中的星敏感器支架在设备舱板上安装点的参数化设计示意图。
[0027]图4为本专利技术实施例1中的星敏感器支架优化结构示意图。
[0028]图5为本专利技术实施例2中的星敏感器支架初始结构示意图。
[0029]图6为本专利技术实施例2中的星敏感器支架在设备舱板上安装点的参数化设计示意图。
[0030]图7为本专利技术实施例2中的星敏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带指向性约束的单一材料结构热变形优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据星敏感器支架的设计要求，建立星敏感器支架的初始三维参数化模型；其中从星敏感器支架在设备舱板上的安装点到星敏感器支架中的星敏感器安装面之间，通过若干连接杆实现连接，组成星敏感器支架三维参数化模型；且星敏感器支架在设备舱板上的所有安装点整体布局采用对称布局；步骤2：构建优化模型：以星敏感器支架在设备舱板上的安装点位置作为设计变量，以星敏感器支架中的星敏感器安装面在设定的温度范围内，指向偏角绝对值最小为目标函数，以星敏感器安装面位置保持不变、星敏感器安装面与星敏感器支架在设备舱板上的安装点之间的连接关系保持不变、星敏感器支架的全局应变能小于设定值、星敏感器支架的基频大于设定值为约束条件，建立优化模型；步骤3：采用优化算法对步骤2建立的优化模型进行迭代计算，得到满足优化约束条件且目标函数最优的设计变量；其中每次迭代过程中，通过有限元仿真计算得到前设计变量对应的星敏感器安装面的指向偏角，以及星敏感器支架的全局应变能和基频。2.根据权利要求1所述一种带指向性约束的单一材料结构热变形优化设计方法，其特征在于：步骤1中，当星敏感器支架在设备舱板上的安装点个数为奇数时，则存在奇数个安装点处于对称面上，其余安装点相对对称面左右对称；当星敏感器支架在设备舱板上的安装点个数为偶数时，则没有安装点处于对称面上或存在偶数个安装点处于对称面上，其余安装点相对对称面左右对称。3.根据权利要求1或2所述一种带指向性约束的单一材料结构热变形优化设计方法，其特征在于：星敏感器支架在设备舱板上的安装点为5个，其位置处于同一圆周上，且以所述圆周的圆心与某一安装点连线为对称轴，其余四个安装点两两分为一组，两组安装点相对对称轴左右对称；以处于对称轴上的安装点为第一安装点，其与相邻安装点的圆心角为θ1，与间隔安装点的圆心角为θ2，所述圆周直径为D，并得到星敏感器安装面的整体几何中心到星敏感器支架设备安装面的垂直距离h；采用(θ1，θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟亮，王亚栋，朱继宏，张卫红，高彤，薛碧洁，邓明乐，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：