长缝光谱仪主结构的稳健优化设计

　　1　引　言

　　世界空间紫外天文台(WSO/UV)是俄罗斯、中国及欧洲共同参与研制的,工作在103~320nm波段的综合性大型空间紫外观测卫星[1]。长缝光谱仪(LSS)作为WSO/UV的一个重要焦面仪器,主要是针对较遥远的暗弱目标天体进行中低分辨率的光谱观测,设计寿命为5年。LSS主结构是LSS的主体框架,是安装光学部件和其它部件的机械平台。为了实现LSS部件特别是光学部件的稳定支撑,确保能够承受卫星发射时的加速度过载、振动、冲击,适应工作轨道上的特殊空间环境,对主结构提出了较高的性能要求。主结构除需要满足各项性能指标外,还由于制造加工、发射以及空间环境等存在不确定性,需要保持各项性能指标足够稳定可靠,具有较好的抗干扰能力。

　　本文分析了LSS主结构的结构尺寸加工公差与材料属性偏差等两类不确定性因素对LSS主结构稳健性的影响。应用稳健优化设计方法对LSS主结构进行了稳健优化设计。优化后的主结构具有较轻的质量,同时结构性能稳健,对设计参数的变动不敏感,提高了主结构的安全性,可靠性。

　　2　稳健优化设计方法

　　结构优化设计技术在实际工程中得到了广泛应用。传统的确定性结构优化设计中,目标函数和约束函数的计算均以设计变量和其他参数的名义值为基础,然而,实际工程问题中,结构的不确定性是无法避免的。结构中的几何尺寸、构件的空间位置、材料性能和荷载等都存在着由于制造加工和材料老化等引入的误差或波动。结构的不确定性可能使得准则函数(目标函数)严重退化,成为劣值。特别是对于约束优化问题,优化解往往靠近约束边界,结构参数波动甚至可能使最优解违反约束(超界)成为不可行解。这就是说,一般的优化设计最优解可能是不稳健的,受不确定因素影响大。稳健优化设计是优化设计和稳健设计的结合[2-5],通过调整设计变量的名义值和控制其偏差来保证设计最优解的稳健性,即一方面保证最优点的可行稳健性,当设计参数产生波动时仍能保持最优点是可行的;另一方面使最优点具有较低的灵敏度,即不灵敏性,设计参数的微小变动导致的性能指标波动小。图1描述稳健优化设计解具有的可行稳健性。由于设计参数x1、x2的波动,约束边界g1、g2对应移动Δg1、Δg2。此时一般优化设计解从可行域进入不可行域,而稳健优化设计解仍然处在可行域。图2描述目标函数的稳健性。设计1与设计2具有相同的目标函数值y;但在设计参数x同等波动下,设计2目标函数波动的“钟形”分布更“瘦小”,表明设计2具有更好的目标稳健性。一般地,众多不确定性因素主要可分为两类:一类是在设计中可以控制的因素,称为可控因素,如设计变量的制造公差等;另一类是在设计中不可控制的因素,称为不可控因素(噪声因素),如材料属性的波动、材料或元器件随着时间推移而发生老化或时效等[4]。