平行光管主反射镜组件的非线性有限元分析

为了提高对光学仪器中光机结构分析的精度,引入了非线性分析方法,用非线性有限元法研究了某平行光管主镜组件存在的非线性问题。介绍了产生结构非线性的主要来源,并在接触理论的基础上对主反射镜组件进行了合理的有限元建模。采用接触非线性分析方法对螺钉预紧时反射镜的响应及在自重和温度载荷作用下反射镜的变形进行了分析。将线性和非线性分析结果与实际结果进行了对比,结果表明,采用接触非线性分析方法对反射镜组件进行工程分析减小了分析误差。因此,在工程分析中,对某些接触部位采用非线性分析方法可以提高分析精度,得到的结果更加符合实际。     

基于接触非线性分析方法的反射镜组件工程分析

工程中将实际的非线性系统近似为线性系统,用线性分析方法对所研究的对象进行分析往往会带来较大的求解误差。介绍了产生结构非线性的主要因素,并在接触理论基础上,对某空间相机反射镜组件进行了合理的有限元建模。采用接触非线性分析方法对螺钉预紧时反射镜的响应及在自重和温度载荷作用下反射镜的变形进行了分析。通过比较线性分析与非线性分析的结果表明:采用非线性分析的结果更接近实际;在空间相机的工程分析中,对某些接触部位采用非线性的分析方法可以提高分析精度。     

空间平面反射镜组件销钉预紧的非线性分析

介绍了产生结构非线性的主要来源与接触理论,对平面反射镜组件建立了合理的有限元模型.利用接触非线性分析方法分析了小重锤(m=0.18kg)在不同下落高度冲击销钉而对锥孔造成的法向压力;随后,将不同锥孔法向压力对镜面面形精度的影响进行了非线性和线性分析;然后,进行了空间平面反射镜的成像实验.分析与实验结果表明:采用非线性分析得到的面形精度比线性分析更接近实验值,非线性分析与实验值之间的最大误差为8.6%.由此对该空间平面反射镜组件提出了合理的销钉预紧方案,即小重锤最大自由下落高度不超过25mm.     

大孔径光学反射镜球铰支撑方式尺寸稳定性分析

采用球铰支撑可以极大地提高大孔径反射镜工作的可靠性,但必须对这种支撑方式进行合理的稳定性分析。球铰支撑方式的有限元分析必须围绕其支撑方式所具有的严格而又明显的接触特性、顶丝预紧力作用、具有相对滑动趋势而产生的摩擦这三大基本特征展开。应用传统的线性有限元分析手段对大孔径反射镜球铰方式支撑的尺寸稳定性分析具有较大的局限性。为提高分析精度,采用了非线性分析方法,最大程度地模拟实际结构,并将罚函数的摩擦形式引进到了摩擦接触对中,并对其进行了实际模型的解算,使得分析结果更加精确,并依据分析结果,对预紧力进行了合理地选取,使反射镜在一定的工作环境下能够稳定地工作,满足系统成像的需要。     

空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响, 采用高体份SiC/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先, 通过合理的结构设计及有限元分析比较, 确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数, 然后, 对反射镜组件进行了静力学和动力学分析, 在1 g重力载荷作用下, 反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为12.6, 12.7, 12.6 nm, 达到了λ/50(λ=632.8 nm)。最后, 为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力, 对反射镜组件进行了力学试验, 反射镜组件的一阶谐振频率为556.6 Hz。力学试验前后, 反射镜镜面面形误差RMS分别为0.021λ、0.025λ, 没有明显变化。实验结果表明:高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求, 能够满足空间应用。     

视频空间相机Φ330mm口径主镜组件设计

为满足视频空间相机中反射镜组件的轻量化、高刚度、高稳定性和短加工周期的要求,采用基于ZERODUR微晶玻璃的背部单拱形镜体轻量化方案,设计了一种外圆芯轴粘接的柔性支撑结构.通过有限元工程分析与基于响应面优化设计,确定了支撑结构的最优尺寸.对反射镜组件进行了模态试验,并完成了镜面的非球面光学加工与检测.试验结果表明:主镜组件的一阶自然频率为332.5 Hz,与分析结果之间的相对误差为2.5%;主镜组件在绕光轴分别旋转0°、120°与240°方向进行光学检测时,面形精度均方根值均优于λ/40,实现了地面重力对反射镜面形检测零影响,组件满足设计要求.     

光学反射镜柔性锥套连接结构的设计与分析

针对空间光学遥感器反射镜结构刚度高、热尺寸稳定性差的状况,设计了一种柔性锥套结构,它在保持结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。对某光学反射镜组件中的柔性锥套进行了合理的结构设计,并对柔性铰链参数进行了分析,采用有限元法对反射镜组件的非柔性锥套连接结构和柔性锥套连接结构在自重和热两种工况下的反射镜面形精度进行了仿真分析。分析结果表明:由柔性锥套连接的反射镜在自重工况下面形PV值较非柔性锥套连接形式变化不大,而热变形明显好于非锥套连接的面形精度,PV值由43.9nm降到了27.5nm,对热的贡献较大;连接在整机工况下的反射镜组件的反射镜面形精度可满足遥感器的成像质量要求,保证了结构的热尺寸稳定性。因此这种柔性锥套连接结构在实际遥感器结构中是合理可行的。     

超轻量化SiC反射镜有限元分析及应用

对超轻量化SiC反射镜进行了有限元分析。设计了超轻量化SiC反射镜的镜体结构。采用MSC.Nastran分析软件对其进行了有限元工程分析。分析结果表明,可满足SiC反射镜面形精度的要求和轻量化的要求。介绍了一种SiC反射镜无镜框支撑结构。     

超轻反射镜柔性支撑结构设计与试验

针对微型遥感载荷超轻反射镜柔性支撑问题,提出了一种折臂梁式柔性支撑结构。根据反射镜结构特点,建立柔性支撑结构的参数化模型。采用第二代非支配排序遗传算法建立了多约束多目标的参数优化模型,对柔性结构关键参数进行了优化,最小尺寸仅为1.30mm。对反射镜与柔性结构粘接面积的强度进行了校核,安全裕度为3.6。并对反射镜组件进行了工程分析和力学试验,所设计的柔性结构能够在1g重力和温度4℃变化时保证超轻反射镜具备优于3nm的面形精度,仿真分析与力学试验相对误差均在10%以内。最后,对反射镜组件进行了镜面的面形检测,力学振动试验前后,镜面的表面误差RMS均为0.020λ,表明该反射镜组件稳定性良好。本文提出的折臂梁式柔性支撑结构设计方法是可行的,结构性能是可靠的。     

地脉动环境下反射镜架系统的镜片转角响应计算

反射镜组件是光机装置的重要组成部分,反射镜片的转角稳定性对光路的传输有着直接影响。针对大型光机装置中反射镜架在地脉动随机微振动下的稳定性问题,推导了镜片转角响应均方根值的计算公式。在ANSYS中建立了一个镜架结构的有限元模型,并分析了该镜架系统的模态及结构在地脉动载荷下的微振动响应。根据计算结果分析得到了镜片转角响应均方根值; 提出了工程实际中如何通过有限元分析便捷获得镜片转角响应的另一种工程方法。两种方法所得镜片转角具有较好一致性,说明所采用镜片转角计算分析方法是有效的, 为精密反射镜架的稳定性设计分析提供了有效方法。     

空间遥感相机长条反射镜组件的动力学特性分析

空间遥感相机长条反射镜较圆反射镜的整体刚度相差很大,整个组件在随火箭发射过程中因力学环境引起的自身位置改变导致面形的微小畸变从而对成像质量造成严重影响。因此,反射镜组件的设计就成为整个相机系统研制的重点与难点之一。对其进行科学、严谨的力学环境仿真是设计中的有效辅助手段。对某相机的长条反射镜组件动力学响应进行了较为深入的研究,借助MSC-patran,用有限元法进行了求解。获得了组件的动力学特性。     

空间望远镜主镜的热光学特性分析

主镜是空间望远镜光学系统的重要组成元件,其热光学特性将为光学系统的热控设计提供依据。利用建立在集成分析基础上的热光学分析方法,分析了某空间望远镜主镜在三种不同的温度分布形式,即在径向温度、轴向温度、周向温度梯度的作用下对光学系统成像质量的影响,结合设计的要求,根据计算结果给出了许用温度梯度的范围。     

二氧化碳探测仪典型透镜支撑结构的设计及分析

为了降低外界载荷和温度变化对二氧化碳探测仪光学系统透镜面形及共轴的影响,根据系统的特点和技术要求,对其典型透镜的支撑结构进行了研究,设计了一种径向挠性支撑结构并建立了3D实体模型。运用工程CAD分析软件,采用非线性有限元分析方法对其进行了动静刚度特性和热特性仿真分析,验证了支撑结构设计的合理性。分析结果表明,透镜结构组件的一阶固有频率为1 301 Hz;利用面型拟合,得到了各工况下镜面面形误差值为PV≤λ/10,RMS≤λ/50,偏转误差≤1″。该径向支撑结构能很好地保持透镜共轴精度,减小了温度变化对镜面变形的影响,各项结果满足设计要求,证明了结构设计的合理性。     

空间SiC反射镜背部中心支撑特性

基于特定的轻量化形式和支撑结构,采用有限元方法研究了口径为500mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响,确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23,指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状,当重力沿径向作用时,增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明,柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素,要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求;背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小,且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感;支撑长度主要影响结构的动态刚度,减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750mm,对口径小于750mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.     

Integrated analysis of strap mount for a circular mirror

In order to solve the nonlinear contact problem with the friction action in the mirror assembly, the modeling analysis is carried out by the MPC method of shell-to-solid coupling. Considering the friction factor existing in the contact region, the deformation and stress of the strap obviously changes from fixed region, transition region to contact region, which further produces a serious edge effect around the mirror and leads to the uneven stress distribution. The results show the maximal deformation of the assembly is 9.98 μm and the maximal stress is 10.5 MPa, which has much tolerance to the precision requirement of structure and the admissible stress of material; the influence of heat effect on the surface deformations of mirror is proved to be far greater than that of only gravity load. The advantages of the contact model built by the MPC method are more close to the actual working conditions and more accurate analysis results can be obtained.     

Predicting the nonlinear tensile behavior of carbon nanotubes using finite element simulation

Carbon nanotubes (CNTs) possess extremely high mechanical properties and could be the ultimate reinforcing materials for the development of nanocomposites. In this work, a Finite Element (FE) model based on the molecular mechanics theory was developed to evaluate tensile properties of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The deformation and fracture of carbon nanotubes under tensile strain conditions were studied by common FE software, Ansys. In this model, individual carbon nanotube was simulated as a frame-like structure, and the primary bonds between two nearest-neighboring atoms were treated as beam elements. The beam element properties were determined via the concept of energy equivalence between molecular dynamics and structural mechanics. So far, several researches have studied the elastic behavior of CNTs, and its nonlinearity is not well understood. The novelty of the model lies on the use of nonlinear beam elements to evaluate SWNTs tensile failure. The obtained calculated mechanical properties show good agreement with existing numerical and experimental results.     

大型离轴三反空间相机前框架优化设计与试验

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度,针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点,设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构,并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机,并对整机进行有限元分析.结果表明,光轴呈水平状态,次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″,次镜相对于主镜的偏心为0.021mm,均在光学系统公差要求范围内.此外,对前框架结构进行自由模态分析与试验,结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.     

大口径轻量化主镜的温度场等效模型理论计算

针对大口径望远镜主镜在环境温度变化和太阳辐照变化引起的温度场变化进行了理论分析,根据圆柱坐标下设立的非稳态热传导方程和边界条件,利用分离变量法和格林函数法求解了主镜的温度场分布。为了验证求解的有效性,利用求得的温度场解析式和有限元软件分别分析了2.8 m口径望远镜实心主镜,反射面径向温度分布具有良好的一致性。表明该理论解析式能够较好地反映主镜反射面的温度场分布。将轻量化主镜进行无筋板的薄型镜热模型等效,并分别对两种镜子的温度场进行仿真计算,以此验证等效模型的正确性。轻量化主镜温度场的等效理论计算结果在主镜的早期设计研究阶段具有良好的参考价值。