文|时梦嫣

编辑|时梦嫣

前言

近年来卫星数量的增加和在轨数据的丰富，导致人们对星对地激光通信，的兴趣日益浓厚，激光通信有可能达到高达200GB/s的速率，比传统电磁波通信快十倍以上。

激光通信在安全性、电磁干扰、频率许可和尺寸减小方面具有多种优势，激光通信可以有效应对在轨卫星传输大量数据的挑战。

在星地通信阶段，精确稳定的天文望远镜在实现激光通信方面起着至关重要的作用，它负责接收和传输信标灯，以及指向和跟踪卫星。

带有激光的望远镜是否对人体有害？所谓的U型框架又是什么呢？

U型框架与拓扑和尺寸优化

U型框架是激光通信望远镜的重要组成部分，因为它在确保激光通信成功方面，起着至关重要的作用，它需要具有足够的固有频率、高刚度、对谐振频率的精确控制，以及有效处理光学机器负载的能力。

它也应该是轻巧的，以适应未来在车辆、飞机或卫星上的安装，由于涉及多学科目标和限制，实现卓越的性能、最佳的轻量化设计和易于制造是一项重大挑战。

拓扑和尺寸优化被广泛认为是，新结构概念和详细设计阶段，最流行和最有效的方法，用于客车顶结构轻量化设计的，多材料拓扑优化过程，该过程考虑了多种位移约束。

例如自重，从而显着减轻了8%的重量，多目标拓扑优化的利用，进一步增强了设计过程，研究人员还开发了一种周期性空间框架结构，与等效梁结构相比，最大应力降低了14.4%。

并且激光望远镜的弯曲强度（向上）提高了12.3%，弯曲强度（向下）提高了93.3%，学者们还提出了一种拓扑优化和，形状优化相结合的级联优化方法，该方法用于设计高性能双网涡轮盘。

与单网盘相比，重量减轻了21.35%，应变能提高了8.5%，为了最小化反射镜的表面误差，引入了一种具有尺寸优化方法的，多目标拓扑优化，该方法成功地将反射镜的RMS表面误差降低到3.58nm。

他们评估了几种优化布局的性能，并确保固有频率和抗冲击性符合要求的标准，并提出了一种集成拓扑和，形状优化方法，通过这种方法，他们能够创建一个五辐钢轮。

在原型测试中显示出显著的改进，与传统钢轮相比，这些改进包括一阶频率提高了 59.7%，轮胎噪音降低了 2.2 dB。

为了优化风力涡轮机叶片的结构设计并降低质量和成本，提出了一种拓扑和尺寸优化方法，与传统设计相比，质量减少了3%，在小型太空望远镜项目的矩形镜的，轻量化设计中实现了58%的重量减轻。

目前对激光通信望远镜U型框架优化的研究还缺乏，只有少数论文讨论了U型框架，这些论文大多采用单目标拓扑优化，或依赖于经验设计。

U型框架主要通过铸造或TIG焊接制造，但铸造在实现优化的轻量化和，成本效益方面存在局限性，由于焊枪位置限制和高热量输出，TIG 焊接在制造复杂和精确的，结构时面临挑战。

随着U型框架进入批量生产，这些挑战将变得更加明显，特别是在不久的将来激光通信在商业和民用应用中的使用可能会增加。

U型框架的介绍

原始望远镜是由由方位角轴，U型框架，俯仰轴和光学系统组成，由Q235制成并通过TIG焊接制造的，U型框架，根据设计经验，U型框架中使用的板厚5毫米，总重量为129.4公斤。

在卫星跟踪期间，预先计算的位置和速度命令将发送到，方位角和俯仰轴驱动器，紧接着两个轴协同工作以跟踪卫星，光学系统接收光进行通信，而U型框架承载重量并传输运动，确保精确稳定的指向。

并建立了方位角、俯仰轴、U型框架和光学系统的有限元模型，自适应光模块、发射终端、电子器件和快速反射模块表示为质量点，螺纹连接由RBE2元件表示。

整个系统的负载条件包括，其自身的重力和电机的方向扭矩，U型框架的最大变形约为22μm，通过分析光学系统中，主副镜节点的相对变形，发现两面镜子之间的，最大相对变形角约为3.66”，这种变形对光学系统的，成像质量和通信质量都有影响。

该结构承受的最大应力仅为 6.8 MPa，表明安全性很高，对应于整个系统前三个固有频率的振动模式，这些频率分别为 21.18 Hz、22.49 Hz 和 45.45 Hz。

其中一阶频率特别重要，因为它有助于防止谐振，并作为整个系统的关键整体评估指标，三阶振动模式与方位电机的激励方向对齐，方位电机绕方位轴旋转，所以三阶频率会影响控制系统的刚性、伺服带宽和跟踪精度。

学者也给出了更详细的拓扑结果，说明了每个方向的力传递路径，X 方向由四个平行的整体 U 形板组成，间距分别为70mm、120mm 和70mm，这些板构成了本文讨论的U型框架的基本结构。

其余结构基于其他拓扑，发现分布在四个U形板中，显示了从拓扑结果得出的重建结构，左侧和右侧载荷直接连接到，未焊接或未铸造的切割U形板，具有高刚度，从而确保了高水平的整体结构完整性。

U型框架的焊接

U型框架通常通过铸造或TIG焊接制造，仅靠铸造并不能提供足够的轻质性能，由于重建拓扑U型框架的，复杂内部结构和封闭的外部结构，实施TIG焊接将非常困难甚至不可能。

所以想要进行完美的焊接，就要去搞清楚它的特性以及熔点的高度，这两者缺一不可。

并且传统的焊接方法会产生大量的热量，这会导致大量的残余应力，并使精密结构无法使用，相比之下，激光焊接具有非接触式、低放热、高能量密度、低热变形，和易于自动化的特点，在自动化批量生产中得到了广泛采用。

特别是在汽车行业，激光焊接尚未在，激光通信望远镜领域得到应用，与铸造相比，激光焊接具有更高的轻量化设计，与TIG焊接相比，具有更低的热量输出。

激光焊接还可用于通过集中能量穿透外皮，并焊接到内部结构来制造复杂的封闭结构，建议利用激光焊接工艺来制造U型框架。

一个是激光焊接中常用的对焊工艺，例如第1件和第2件，另一种是熔焊工艺，由第3件和第4件演示，这两个接头的组合确保了U型框架结构的整体刚度、强度和完整性。

为了建立尺寸优化的约束，在尺寸优化之前进行了初步的工艺测试，这些测试旨在确定激光焊接机在实际条件下，可以焊接的最大板厚，并确定所需的最小功率输入，以最大程度地减少由于热效应引起的结构热变形，

该研究检查了两种类型的穿透关节，在实际工艺条件下，第二种类型的接头可以在最大功率为4.5 kW的情况下有效地穿透5 mm的外部蒙皮。

所有外皮的最大厚度设定为4毫米，很明显，4 mm 的外部蒙皮厚度需要仅4.5kW 的功率输入，才能完全焊接通过第一个对接接头，在实际场景中，两个接头的功率输入分别确定为4.5kW和5.5kW。

实验材料由4毫米厚的激光切割304板组成，以下显示了一组焊接试样，其中1号代表激光焊接试样，2号代表纯切割基材，3号代表氩弧焊试样，所有三个试样的焊接后初始长度大致相同。

使用10T拉伸试验机对三个试样进行断裂，很明显，激光焊接试样是从母材而不是接头上断裂的，这表明激光焊接接头的强度超过了基材的强度，使用氩弧技术焊接的试样在接头处断裂。

表明氩弧焊接头的强度低于母材，也低于激光焊接的强度，焊接后立即使用温度测量枪测量接头的温度，结果发现，TIG焊的接头温度高达250 C，而激光焊接的接头温度仅为40 C左右， 这表明激光焊接释放的热量较少，所以可以合理地假设其残余热应力也较低。

结语：

在目前对激光通信U型框架优化的研究中，缺乏深入的分析，制造工艺尚未完全开发，在本文中提出了一种集成的全局拓扑，和多启动大小优化方法来弥补这一差距。

并且成功地使用激光焊接实现了，新型U型框架的最佳设计和制造，在拓扑优化阶段，考虑了对称性和电缆通道的约束，并使用经典的SIMP方法获得了最优配置。

在尺寸优化阶段，还考虑了激光焊接的制造约束，完成了详细设计，与第一代结构相比，优化后的结构动态性能提高了7.13%，静态性能提高了29.61%，质量减轻了29.89%，其余性能保持不变。

直接验证了所提优化方法的合理性，原型的成功制造不仅证明了所提出的焊接工艺的可行性，而且突出了新型U型框架的优越性。

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