针对空间站用光学仪器上微尺度力学敏感器件随机振动响应值过大的问题, 对该器件进行微尺度、精细化建模, 研究其力学特性, 并对其随机响应采取有效抑制措施。首先, 探讨了微尺度模型边界协调和微尺度有限元变分问题, 根据微尺度结构特点, 建立4种模型, 在整机中进行系统级随机振动仿真分析, 研究了4种模型微尺度结构的力学特性。接着, 在分析比较随机加速度响应值、位移响应值与应力响应值的基础上, 对力敏器件微尺度建模方法进行了深入讨论。然后, 对力学敏感器件采取了随机响应抑制措施, 并进行了仿真分析。最后, 对该光学仪器进行了力学试验、热试验和测试试验。结果表明, 该光学仪器功能正常, 微尺度结构随机加速度响应RMS值最大降低42.4%, 随机应力响应降低均在20%以上, 应力安全裕度均远大于零; 仿真与试验加速度响应结果最大相对误差均在10%以内。证明了所提出的微尺度结构截面四单元建模方法精准、可靠。

为了降低光学小卫星相机次镜上的随机响应, 提出了一种蜂窝夹层板结构的优化设计方法, 对小卫星光学载荷的蜂窝安装板进行结构参数的优化设计。首先, 以整星一阶频率不低于40 Hz为优化目标, 对蜂窝芯子密度进行优化, 根据三明治夹心理论, 推导计算了蜂窝芯子等效力学参数。然后, 以次镜的随机响应为优化目标, 对蜂窝夹层板的碳纤维面板进行铺层优化设计, 得到最优铺层顺序为[0/45/90/-45]S, 总厚度为0.8 mm。根据以上计算得出蜂窝芯子及碳纤面板等效参数, 对整星进行分析。最后, 开展了整星振动试验, 测量了整星模态和响应, 对试验数据进行采集。结果表明: 整星模态为42.2 Hz, 次镜最大随机响应为11.1g, 均在合理范围之内, 满足了组件力学要求。

为解决离轴三反空间相机随机响应过大的问题, 提出了一种以降低加速度响应均方根值 (RMS)为目标的空间相机主支撑结构拓扑优化设计方法。首先, 在分析各种空间相机主支撑结构和某离轴三反光学系统特点的基础上, 确定了次镜组件和折叠镜组件分开支撑的结构形式。其次, 以离轴三反空间相机次镜的加速度响应均方根值为优化目标, 以体积分数, X、Y、Z向重力载荷分别作用下次镜的刚体位移, 主支撑结构的一阶频率为约束条件对初始主支撑结构有限元模型进行拓扑优化设计, 得到了加速度响应满足设计要求的主支撑结构。最后, 对该结构进行有限元分析和振动试验, 表明了该离轴三反空间相机力学性能指标均满足设计要求, 其中 Z向 2 g RMS量级的随机激励下次镜的加速度响应均方根值为 5.08 g；主支撑结构质量仅为 3.8 kg, 一阶频率达到了 291.4 Hz。该离轴三反相机主支撑结构的设计方法可以作为其他同型相机结构设计的参考。

针对卫星结构中星敏感器支架在随机激励下加速度响应均方根(RMS)值过大的问题，提出了星敏感器支架优化设计方法。简述了星敏感器安装点随机响应的基本理论，对卫星结构进行了模态和加速度响应灵敏度分析。以星敏感器安装点RMS值最小为目标，以基频和体积分数为约束，建立了星敏感器支架随机响应优化模型，并对支架进行了拓扑优化设计。最后，利用MSC.PATRAN&NASTRAN对优化处理后的支架模型进行了工程分析。结果显示: 星敏感器安装点随机响应RMS值降低了20%以上，支架结构轻量化率达到了50%。另外，利用振动试验台对支架进行了振动试验。实验显示: 有限元分析结果与试验数据相对误差低于15%，表明设计的支架的性能参数满足设计指标，验证了所采用优化方法的可行性。