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【崴昊科技】SmartDO eNews 2015/08/05 「台灣使用SmartDO進行福爾摩沙衛星8號之光學遙測酬載最佳化設計」

感謝崴昊科技同意轉載「SmartDO eNews」系列專題文章,本篇文章原始連結


2015-08-05
前言
台灣從1994年起,與美國公司開始合作設計並製造自有之人造衛星,並於1999年1月成功發射福爾摩沙一號衛星,於2004年除役。 之後陸續於2004年及2006年分別發射福爾摩沙二號及三號衛星。2010年福爾摩沙五號已完成設計審查,目前等待發射中。 福爾摩沙五號將第一次搭載由台灣自行研發設計之光學儀器酬載。
目前台灣的衛星研發已進入福爾摩沙八號。福衛八號承襲福衛五號經驗,將搭載自行研發設計之光學儀器酬載。 其中光機整合由國家儀器科技研究中心主導,委由國立中央大學機械系陳怡呈老師之"光機設計實驗室"進行部份研究。該實驗室的任務之一為針對主鏡結構進行減重。 為達此具挑戰性任務,中央機械團隊使用SmartDO成功地對主鏡達到突破性的改進。
遙測酬載模組
衛星酬載遙測取像儀用於地表觀測,需承受高真空、高溫差、重力、15 G發射重力加速度、振動等嚴苛環境; 因此在取像儀光學系統的設計中,不只考慮光學品質的要求,亦需考慮其機械結構是否能承受惡劣的工作環境。 圖 1及圖 2為福爾摩沙衛星五號上遙測酬載模組外觀。(圖片引用自"泛科學"網站(http://pansci.asia/archives/79898)
圖 1. 福爾摩沙衛星五號之遙測酬載模組外觀(1)

圖 2. 福爾摩沙衛星五號之遙測酬載模組外觀(2)


建構數值最佳化設計流程與模型
為了同時兼顧性能並將重量儘可能減到最輕,需要針對主鏡結構進行最佳化設計。為達到此艱難任務,開發團隊選用SmartDO為其最佳化設計與整合之工具與平台。 在SmartDO平台上,研發團隊串聯電腦輔助設計、有限元素分析軟體,針對主鏡重要特徵尺寸進行最佳化設計;最佳化內容包含: 輕量化、維持剛性、良好光學品質。
圖 3為研發團隊在SmartDO上所建立的最佳化設計流程,包含了SOLIDWORKS, ANSYS以及SmartDO的無縫整合。在此架構下,由於SmartDO採用直接搜尋法, 用戶並無需進行參數敏感度分析的手續。只要輸入設計條件,如尺寸上下限,應力與勁度之要求等,SmartDO即可趨動CAD與CAE自動進行最佳化設計。 用戶可以因此將更多資源投注其他工程設計任務上,以尋求更佳之設計。
圖 3. SmartDO,SOLIDWORKS及ANSYS之整合最佳化設計流程


主鏡結構最佳化設計與分析
本計劃之遙測酬載主鏡,參考THALES SESO針對PLEIADES–KORSCH TELESCOPE太空計畫所設計之主鏡結構六角形邊框設計(圖 4.),在主結構下方採用蜂巢狀圖樣作支撐之次結構。 此外亦參考REOSC所製造的SOFIA衛星主鏡,藉由其飛扶壁結構減少主鏡邊緣因為懸臂樑效應所產生的變形(圖 5.)。整體結構物共以12個幾何參數做為設計變數,如圖 6所示為初步 最佳化設計所用之幾何外觀。
圖 4. KORSCH TELESCOPE主鏡結構

圖 5. SOFIA衛星主鏡與飛扶壁結構

圖 6. 新型主鏡最佳化設計變數(初步設計)


圖 6之12個設計變數包括主結構、主鏡邊緣的飛扶壁結構、蜂巢狀結構內接圓直徑深度。主鏡結構之外力為重力加速度與拋光壓力。 結構在不同外力條件下,特定方向及位置之變形需小於容許值。其最佳化設計之數學模式如下所示
  • 設計變數 :
    • 圖 6之幾何尺寸DS1~DS12
  • 目標函數 :
    • 最小化體積
  • 限制條件 :
    • 變形小於容許值(在不同外力條件及不同位置與變形方向)
SmartDO為酬載主鏡大幅減重
使用SmartDO進行最佳化設計時,用戶無需經過冗長之參數敏感度探討,流程整合完畢並設定好設計條件後即可進行全自動之最佳化設計。 上述之最佳化設計問題經SmartDO計算後,重量由9.8kg減至8.8kg。經有限元素法結構分析,其各項性能指標接不小於原設計。導入SmartDO無疑 地協助福爾摩沙衛星在設計有更進一步的突破。基於此初步設計,研究團隊確認減重之可行性,也將延續此經驗,並作為進一步設計改進之重要基礎。
參考文獻
詹佳諺,黃柏愷,游振廷,陳怡呈,黃鼎名,"遙測酬載主鏡減重之最佳化研究",第十七屆全國機構與機器設計學術研討會,2014年11月,台灣、台中。