指向机构挠性支承系统优化设计及试验研究

论文摘要

CCD成像仪是为我国新一代静止轨道气象卫星“风云四号”研制的光学遥感器。它能够满足对中小尺寸气象现象及突变和灾害性天气的连续观察和环境监测,提高我国气象卫星的综合观测能力。至今,CCD成像仪己从实验室研究走向实际应用阶段,在航空航天、卫星侦察、遥感遥测、天文测量、传真、静电复印、非接触工业测量、光学图像处理等领域都得到了广泛的应用。支承部件是CCD成像仪中指向机构的重要组成部分,本文针对传统刚性支承在卫星发射过程中因加速度很大而产生的冷焊问题,通过选用挠性支承,进行结构设计和优化。根据用户要求的各项设计指标确定了指向镜指向方案,即利用指向镜指向机构驱动光学系统前的反射镜二维指向。完成了指向机构的总体设计。选用三维实体设计软件solidworks对指向镜指向机构整体及各主要零部件进行建模,并生成有限元模型,利用与solidworks无缝集成的cosmosworks软件进行动静态分析,得到指向镜指向机构整体及各主要零部件的应力分布和变形情况,为下一步的优化设计做准备。挠性枢轴不同的安装方位承载能力有所不同,通过对挠性枢轴不同方位的承载能力进行了分析,找出了承载能力较大的安装方位。根据分析得到的应力分布和变形情况对指向镜及Y向转轴支架两个主要零部件进行了优化设计以提高其刚度,得到了满意的效果。并对改进和优化以后的指向机构进行了模态分析和所可能承受的各种载荷的模拟,验证了设计和优化的正确性及可靠性。最后,对所设计出的指向镜指向机构实物进行振动测试实验,以检验其适应力学环境的能力和稳定性。论文的研究方法具有一定的工程实用价值和较广的适用性,它对于同类型结构设计的强度计算和结构改善有着重要的借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外的研究现状及分析
• 1.2.1 挠性支承的国内外发展现状
• 1.2.2 机械优化设计的发展状况
• 1.2.3 有限元分析概述
• 1.2.4 有限元——优化设计
• 1.3 本文的研究内容及主要工作
• 第2章 指向镜指向机构总体设计及有限元分析
• 2.1 总体设计
• 2.1.1 主要设计指标
• 2.1.2 设计指标分析
• 2.1.3 方案描述
• 2.2 主要零部件的设计与选择
• 2.2.1 驱动电机的选择
• 2.2.2 测角装置的选择
• 2.2.3 锁轴装置的选择
• 2.2.4 指向镜的设计
• 2.2.5 指向支架的设计
• 2.2.6 轴系的设计
• 2.3 机械物理特性分析
• 2.4 有限元分析的基本步骤
• 2.4.1 指向机构的有限元模型
• 2.5 指向机构的有限元分析结果
• 2.5.1 指向镜、转轴支架的静态分析及指向机构的模态分析
• 2.5.2 挠性枢轴的有限元分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 指向机构关键零部件的结构优化及设计验证
• 3.1 优化设计原理
• 3.1.1 优化设计问题
• 3.1.2 有限元优化模型与COSMOS优化原理
• 3.2 关键零部件的结构有限元优化
• 3.2.1 指向镜的有限元优化
• 3.2.2 Y向转轴支架的有限元优化
• 3.2.3 机械物理特性分析
• 3.3 设计验证及整机分析
• 3.3.1 指向镜指向机构静力学分析
• 3.3.2 指向机构模态分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 指向机构的机械振动测试与分析
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 正弦振动
• 4.2.2 随机振动
• 4.3 试验设备
• 4.3.1 电荷放大器
• 4.3.2 加速度传感器
• 4.3.3 振动与控制系统
• 4.4 试件安装
• 4.5 试验测量点和控制点设置
• 4.6 试验顺序
• 4.6.1 Z方向振动
• 4.6.2 X方向振动
• 4.6.3 Y方向振动
• 4.7 试验结果
• 4.8 实验数据
• 4.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢