机载光电平台外框架结构优化设计开题报告

1. 研究目的与意义

机载光电平台是用来安装在侦察机上获得侦察图像的侦察设备，为了获得高质量的图像，我们需要提供一个稳定的环境，即一个稳定的系统,来保证其正常工作。外框架结构的好坏直接影响到光电平台的整体性能的优劣。本文采用有效的有限元分析软件ANSYS，建立机载光电平台外框架的有限元模型，包括单元类型的正确选择，确定边界条件和求解方法，完成机载光电平台外框架的应力应变等分析，获得几何参数与结构强度刚度之间的关系，并对具体几何参数进行优化,从而达到外框架结构优化设计的目的。本课题意义在于外框架在通过优化后能满足震动环境的使用要求，甚至对以后的光电平台的设计提供有效的帮助。同时也锻炼了自己的学习能力，使自己的知识面更广，为以后的工作提供宝贵的经验。

2. 国内外研究现状分析

航空侦查以光电传感器为主，如各种胶片相机，实时传输相机、可见光与红外相机、激光器等，这些机载集成的传感器被装在可以自由运动的平台里，就构成了机载光电平台。航空侦查起源于18世纪末，当时用气球进行目视侦查，19世纪50年代开始出现了航空拍照，1911年底至1912年初，意大利首先用飞机进行了目视和照片侦查，1915年末开始有专用的航空摄影机用于航空侦查。2000年，Farshad K,Rastegar J,SeottER研究了一三级运载火箭的有效载荷自适应无源隔离器的自由。2004年，RD Gregorio运用几何分析研究了三角机械手的奇异性。

2006年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的杨洪涛通过分析几种国外平台框架结构及性能，提出了一种合适的平台框架结构形式，对四框二轴光电稳定平台框架进行了有限元分析并且对其结构进行了优化。2008年，甘至宏等教授通过计算分析，得到直观的图示结果，看到在一定外力作用下，零件中应力、应变、变形、安全系数的分布情况，找到框架薄弱环节和冗余部分，有的放矢地改进设计。同年，苗用新等教授在传统三轴光电平台基础上，改变第三轴坐标原点的位置，在消除平台球顶盲区的同时，有效减少平台外置部件体积，将模型及其含有的复杂非线性进行简化和变形，最终得到适用于控制器设计的数学模型。2011年，刘长顺等教授为使车载稳定平台在动态载荷状态下满足系统精度要求，对车载光电稳定平台外框架进行了优化设计，对外框架结构进行了分析与设计，并基于MSC软件进行了仿真校核，结果设计的外框架在满足刚度的前提下实现较小的转动惯量，静力状态下的最大变形量为2.6μm并且满足使用要求。同年，吉林大学的朱可通过查阅大量的资料，不断地对主框架进行有限元分析，改进了主框架的设计，并对其他关键零件进行了改进设计。2014年，长春理工大学光电工程学院的王平等教授采用基于变密度法的拓扑优化理论，以最小化合成柔度指数为目标函数，以基频不低于某值为约束条件，对光电平台内框架进行了拓扑优化设计，结果在减小重量的同时不仅有效地降低了结构的最大变形，还提高了结构整体机性能，并且通过震动试验验证了拓扑优化结果的正确性。2015年王平等教授又根据优化理论，以外框架壁厚、筋高和筋宽为设计变量，质量最小位目标函数，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，结果不仅去除了自身冗余的质量，改善了外框架的动态特性，还提高了光电平台结构整机性能，并且通过震动试验验证了优化结果的正确性。2016年，刘仲宇等教授采用基于变密度法的拓扑优化理论，利用NX/TOSCA软件，以刚度最大化为目标函数，以体积比约束为设计响应约束，对红外导引稳定平台主框架进行了拓扑优化设计，结果经拓扑优化的主框架不仅动态性能有所提高，结构质量也大幅地减小，最大变形量由3.2μm减小到2.8μm，一阶固有频率由1567Hz提高到1953Hz，质量减少32.4%，更有利于导引头轻重化水平的提升和整机性能的提高，并且通过震动试验和稳定精密度的检测数据验证了主框架的动态性能，说明了拓扑优化结果的正确性。

3. 研究的基本内容与计划

（一）研究内容

本文先对前人所做的工作进行熟悉，再对机载光电平台外框架的结构特点进行分析讨论，利用所学的机械结构知识理论求解与分析，获得结构分析所需的力学模型，然后采用有效的有限元分析软件ansys，建立机载光电平台外框架的有限元模型，包括单元类型的正确选择，确定边界条件和求解方法，完成机载光电平台外框架的应力应变等分析，获得几何参数与结构强度刚度之间的关系，并对具体几何参数进行优化。

（二）研究计划

4. 研究创新点

利用有元分析软件ansys，建立机载光电平台外框架的有限元模型，包括单元类型的正确选择，确定边界条件和求解方法，完成机载光电平台外框架的应力应变等分析，获得几何参数与结构强度刚度之间的关系，并对具体几何参数进行优化。

去除了外框架自身冗余的质量，改善了外框架的动态特性，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。

采用尺寸优化技术对光电平台外框架进行优化设计。