微纳遥感相机一体式超轻主支撑结构的拓扑与尺寸优化设计

"微纳遥感相机一体式超轻主支撑结构的优化设计是针对特定型号的微纳遥感相机，旨在满足其超轻、低功耗、快速制造和低成本的需求。设计过程中，选择了钛合金作为主支撑结构的材料，因其具有高强度和轻重量的特性。在材料选取后，采用了桁架式方案，该方案兼顾了质量和能量消耗。通过建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型，计算了目标函数的灵敏度，并利用改进的Heaviside密度滤波方法，确定了主支撑结构最优的力传递路径。接着，基于基频建立了尺寸优化模型，得出各部件的最佳尺寸，最终设计出的质量为0.6 kg的一体式主支撑结构。经过有限元分析和实验验证，该结构不仅满足了光学系统的精度要求，而且其基频远高于卫星平台对光学负载的规定，这证明了拓扑优化和尺寸优化方法的正确性和设计的合理性。" 微纳遥感技术是遥感领域中的一个重要分支，它涉及的是纳米级别或微米级别的遥感设备。在本文中，微纳遥感相机的一体式超轻主支撑结构设计是关键，因为这种结构对于整个相机的性能至关重要。主支撑结构不仅要承受来自外部环境的各种力，还要保证相机内部组件的稳定性，同时，由于微纳遥感设备的特殊性，对重量和功耗有非常严格的限制。 优化设计过程中，首先从任务需求出发，选择了钛合金作为主要材料，这是因为钛合金在保持强度的同时，具有较低的密度，有助于实现超轻量化。桁架式结构方案的选择是因为它在结构效率和重量之间取得了平衡，能够有效地分散和传递载荷，同时减少不必要的材料使用，从而降低功耗。 拓扑优化是一种结构设计方法，它通过改变结构的连续区域分布来优化结构性能。在这个案例中，目标函数是基频，即结构固有频率的最低值，它反映了结构抵抗振动的能力。通过计算目标函数的灵敏度，可以了解设计参数变化对基频的影响，从而指导结构的优化。改进的Heaviside密度滤波方法则用于使优化结果更加清晰，确定最佳的力传递路径，确保结构的稳定性和可靠性。 尺寸优化则是对已确定的拓扑结构进行精细化设计，以找到每个部分的最佳尺寸。这一步骤通过建立以基频为目标的尺寸优化模型来完成，目的是在满足功能要求的同时，最小化结构的重量。 最后，通过有限元分析和实验验证，一体式主支撑结构能够满足设计预期，其基频远高于卫星平台的要求，意味着在实际运行中，相机不会因振动而影响成像质量，同时验证了所采用的优化方法的有效性。 这项工作展示了如何综合运用材料选择、拓扑优化和尺寸优化等方法，设计出满足微纳遥感相机特殊需求的超轻主支撑结构，对于微纳遥感技术的发展和应用具有重要的参考价值。