机载光电平台外框架结构优化设计
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。
1965年“有限元”这个名词第一次出现，到1960到1970年，有限元的理论处于发展阶段，分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态试验和分析问题。二十世纪70年代初，ANSYS软件中融入了新的技术以及用户要求，它大大的简化了模型生成和结果评价。我国著名力学家，教育家徐芝纶院士(河海大学教授)首次将有限元法引入我国。他于1974年编著出版了我国第一部关于有限元法的专著《弹性力学问题的有限单元法》，从此开创了我国有限元应用及发展的历史。有限元发展至今，其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象已从分析和校核发展到优化设计并和CAD技术相结合。目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。
有限元求解问题的基本步骤：第一步，问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步，求解域离散化：讲求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小则离散域的近似程度越好，计算结果越准确，但是计算量和误差都将增大。第三步，确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步，单元推导：为单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。第五步，组装求解。第六步，立方程组求解和结合解释。
ANSYS软件是融结构、流体、电场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算机模块和后处理模块。如今ANSYS版本不断更新，被大家熟知的有胡仁喜，康士廷等编著的ANSYS 14.0[1]【11】，张朝晖主编的ANSYS 16.1[2]【12】。
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[3]【1】。2004年，RD Gregorio运用几何分析研究了三角机械手的奇异性[4]【2】。
国内对机载光电平台方面的探索和研发的脚步也一直没有停下，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[5]【3】。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[6]【4】。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[7]【5】。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，运用UG软件对外框架进行三维建模，采用理论分析与有限元计算相结合的手段，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2.6mu;m并且满足使用要求[8]【6】。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[9]【7】。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[10]【8】。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[11]【9】。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3.2mu;m减小到2.8mu;m，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[12]【10】。
上述中，王平等教授在机载光电平台外框架结构优化设计时，为减小机载光电平台的质量，提高机载光电平台动态性能，依据优化基本理论，以外框架壁厚、筋宽和筋高为设计变量，质量最小为目标函数，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，去除了自身冗余的质量，改善了外框架的动态分析，提高了光电平台结构整机性能，使优化后的外框架可以满足振动环境的使用要求。文中基于优化基本理论，应用NX7.5软件对光电平台外框架进行了优化设计，改善了外框架材料分布状况，优化结果有（1）质量由11.8kg下降至10.38kg;（2）基频由110.6Hz提高至159.6Hz；（3）最大变形量由0.014mm提高至0.029mm，虽然外框架静力变形量增加1倍，但仍然可以蛮子刚度和强度要求。经过优化后外框架质量减小了1.4kg，动态特性得到了较大改善，固有频率提高了近40Hz，这对于结构整机性能的提高具有重要意义。研究结果表明采用尺寸优化技术对光电平台外框架进行优化设计是一种很有效的方法，改方法也可完全用于其他光电平台零部件的优化设计。我认为这种优化技能将为以后光电平台的设计提供有效的帮助。
而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。
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