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基于碳化硅3D打印的遥感相机主承力结构设计与验证.docx
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基于碳化硅3D打印的遥感相机主承力结构设计与验证.docx
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0. 引 言
3D 打印技术是一种快速成型技术,与减材制造相反,它是一种以数字模型文件为基
础,运用粉末状金属或非金属可粘合材料,通过逐层打印的方式来构建物体的技术
[1]
,已
经在工业设计、建筑、工程等领域得到应用,在突破传统工艺限制的同时也极大地提高了
生产效率。碳化硅材料具有较高的弹性模量,适中的密度,较小的热膨胀系数,因此具有
比刚度较高及稳定性较好等优秀的物理性质
[2]
,已应用于航空航天等领域。
主承力结构是光学遥感相机的关键部件,直接决定了相机的稳定性,影响相机性能和
成像质量。在受到严格空间包络及质量约束的情况下,稳定性是主承力结构的设计重点
[3]
。
因此,一方面为了提高主承力结构的轻量化程度,从而达到降低对卫星资源需求、节
约发射成本的目的;另一方面,碳化硅结构具有良好的力、热稳定性,可为实现在轨无调
焦设计奠定基础。文中将 3D 打印技术和碳化硅材料相结合,研制出碳化硅 3D 打印的主承
力结构,拓展了打印技术的应用范围。目前,国内外对于 3D 打印技术研制反射镜等非承
力结构较多,应用于主承力结构的研制极少,参考资料和相关经验匮乏,这也给研制碳化
硅主承力结构增加了难度。
1. 主承力结构设计方法
1.1 碳化硅 3D 打印技术特点
相对于传统的制造工艺,3D 打印技术可在不损失结构性能和生产效率的前提下,制
造出相对复杂的结构,可以提供给工程师宽阔的设计空间,设计出更加复杂的结构形式,
极大释放了设计的自由度。美国 GE 公司先进的 ATP 发动机中,30%以上的部件使用 3D
打印技术,优化了零件结构,提高材料使用率。俄罗斯科学家研制的 Tomsk-TPU-120 卫星
的外壳和电池组均由 3D 打印而成,实现了一体化设计。
材料是 3D 打印技术的关键,其性能、工艺等直接决定了最终产品的性能。文中的碳
化硅材料具有比刚度高、热稳定好等优势,但其硬度高、加工性差的特点也制约应用范
围。3D 打印技术正好可以解决这一弊端,发挥其良好的材料性能。
遥感相机主承力结构的功能是支撑光学反射镜及焦面组件,并保证光学系统所要求的
各光学元件与像面之间的准确位置关系
[4]
,它不仅要确保光学性能良好、稳定,而且还要
满足空间环境适应性和复杂光学系统装调要求及中间环节结构精度要求。针对上述要求,
碳化硅 3D 打印技术可以提供解决方法。但值得注意的是,由于碳化硅的断裂韧性较低,
易于出现机械损伤,脆性大。因此,针对碳化硅产品,在使用过程中防止发生断裂也是设
计的重点之一
[5]
,是进行结构分析的重要方面。
1.2 主承力结构设计方法
主承力结构除了精确支撑各光学元件及成像器件外,还要安装配其他能组件
[6]
。文中
所涉及的主承力结构不仅要考虑传统结构设计的一般性原则
[7]
,还要考虑碳化硅 3D 打印技
术特殊性,设计方法及具体流程如下:(1)根据光学系统对主承力结构进行构型,可为各光
学元件及卫星提供机械接口,且外形尺寸在最大外包络尺寸内;(2)进行优化设计,在满足
质量限制的前提下,要求具有足够的刚度和强度,以适应力学环境;(3)针对 3D 打印工艺
和碳化硅材料特点进行强度校核,并确保打印尺寸精度。如不满足要求,则需针对不满足
项进行结构优化设计;(4)增加负载后,主承力结构仍具有良好的结构稳定性,可以克服
外界振源对光学系统的影响;(5)在一定温升下,要求热稳定性较高,满足光学系统对反射
镜位置度的要求。
2. 结构设计与仿真分析
2.1 光学系统及初步构型
离轴三反相机具有长焦距、大孔径、无中心遮拦等优势
[8]
,文中所论述的遥感相机采
用离轴三反的全反射式光学系统,如图 1 所示,光线依次经过主、次、三镜后,再由折镜
将光线分成两个焦面通道,两个焦面通道成 90°角。
图 1 离轴三反光学系统
Fig. 1 Off-axis three-mirror reflective optical system
下载: 全尺寸图片 幻灯片
综合卫星对外包络尺寸和质量的要求,以及反射镜和焦面组件的尺寸、质量,主承力
结构要求外包络在 420 mm×400 mm×450 mm 以内、质量小于 4.5 kg。依据设计经验,采用
传统钛合金铸造,质量至少为 7.2 kg,无法满足要求,需要采用碳化硅 3D 打印技术研制该
主承力结构。
主承力结构有两种形式:箱式结构和桁架式结构。箱式整体结构紧凑,具有良好的力
学性能,无装配应力,适用于离轴相机,故采用箱式结构作为构型方案。在构型设计时,
尽量采取对称结构并合理布局,降低转动惯量和重心,以增加稳定性。在主承力结构的前
端安装焦面组件和次镜组件,后端安装主、三镜组件,底部设置与卫星的接口,初步构型
如图 2 所示,外包络为 400 mm×370 mm×430 mm。
图 2 主承力结构初步构型
Fig. 2 Initial configuration of main bearing structure
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2.2 结构拓扑优化
拓扑优化是一个从结构到强度,再从强度到结构的多次反复、不断逼近的过程。由于
受到包络尺寸和质量的限制,要求在体积约束下求最小柔度,即最大刚度。以单元相对密
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