改进蚁群优化组合法在长缝光谱仪结构优化中的应用

　　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103~320 nm波段的综合性大型空间紫外观测卫星[1]。WSO/UV将填补未来5~10年大型天文观测设备在紫外波段的空缺,为揭示宇宙再电离历史、结构形成以及探测太阳系外行星大气等一系列天文学重大前沿问题提供强大的观测手段。WSO/UV主镜1.7 m,配有高分辨率高灵敏度照相机、高分辨率阶梯光栅光谱仪(HIRDES)以及中国承担研制的长缝光谱仪(LSS)。LSS作为WSO/UV的一个重要有效载荷,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的主体框架结构,用来支撑光学部件和其它部件。主结构首先要能够方便地安装和调试光学部件,满足光学设计要求;同时还要满足卫星总体限定的空间、质量和自振频率等要求。在航天工程中航天飞行器的质量每减少1 kg,发射费用将节省上万美元[3]。根据LSS的结构接口条件,本文采用一种组合的优化方法对LSS主结构进行了结构优化,在满足自振频率要求的同时,使LSS主结构质量有了较大幅度下降。通过与ANSYS自带的零阶优化方法比较,这种组合方法的优化效果更好。

　　2　LSS主结构优化设计模型

　　WSO/UV的构型示意图及焦面仪器示意图如图1,2所示[2]。

　　WSO/UV科学仪器箱由3个有效载荷组成,如图3所示。其中LSS由中国研制,另外两个有效载荷(HIRDES)由德国研制。3个有效载荷各占据仪器箱空间的120°,各载荷分别独立设计、制造、装调,然后组装成一体,连接到望远镜的光学平台上。LSS的外形限制为五边形的方体[2],尺寸为1 099 mm(高)×589.05 mm(长)×448.85 mm(宽),在顶面预留有刻槽,两个内侧面张角为120°。

　　根据限定的外形尺寸及结构性能指标,综合考虑各部件的安装调试需求,兼顾与另外两个有效载荷的连接,将LSS主结构设计为桁架式构型。LSS桁架式主结构的示意图见图4,由顶面、中间隔板、底面板、侧面板及直杆、斜杆与横梁构成,为满足通光要求,中间隔板的相应位置开通光孔。结构通过连接凸块,顶面内侧面(与另两个有效载荷进行连接的两侧面)与外部相连接。LSS要适应火箭发射力学环境(包括加速度、振动和冲击等),其主结构必须具有足够的强度和刚度。所以LSS主结构优化设计中将结构质量作为优化目标;将动态刚度条件(结构自振频率要求)作为约束条件,静态强度条件不作为约束,只作为校核[4]。选取主结构主要的6个结构尺寸参数作为优化设计变量,分别为顶面厚度;中间隔板厚度;底面板厚度;侧面板厚度;空心杆件的外径及壁厚。根据LSS结构设计要求,确定LSS主结构质量需<24 kg,自振频率需>80 Hz。考虑加工工艺性和各部件安装要求,经过多次结构分析试算,确定各设计变量的取值范围。主结构的简化有限元模型由杆单元,梁单元,壳单元及实体单元构成。