基于有限元法的面形反演模型

为利用有限元法和面形检测结果反演出光学元件的面形,对面形检测结果进行分解,并对旋转平均法面形检测原理进行分析,讨论采用忽略光学元件自身面形的理想几何模型对其旋转非对称项面形误差进行有限元计算的理论可行性.在此基础上提出了基于有限元法反演光学元件面形的反演模型.以三点球支撑6inch平面镜为例,建立接触有限元模型计算旋转非对称项面形误差,对比了数值法和N步旋转平均法所获得的镜面旋转非对称项面形误差,结果显示,二者的旋转非对称项面形均方根值为分别为2.944nm和2.762nm,两种方法获得的面形相减结果分别为二者的6.31%和6.73%.最后对比了面形反演的面形结果与N步旋转平均法所获得的面形检测结果,结果显示,二者的面形均方根值分别为3.535nm和3.351nm,两种方法获得的面形相减结果分别为二者的11.67%和11.06%.证明提出的反演模型准确可靠.     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

温度和支撑方式对1.2 m SiC主镜面形的影响分析

为了研究温度和支撑方式对大口径SiC主镜用于地基望远镜的影响,基于1.2 m SiC主镜建立了有限元模型,分析了主镜在被动支撑和自由膨胀时,恒定温度场,轴向温度梯度,径向温度梯度和内外温差等对主镜面形的影响.结果表明,存在温度梯度时,支撑方式影响不明显,无论是被动支撑还是自由膨胀,镜面面形均很大.在达到热平衡后,即稳态温度场下,支撑方式的影响明显,只有在主镜自由膨胀时,温度对主镜面形的影响比较小,镜面的RMS<0.02 nm/℃.因此如果主镜采用柔性支撑或浮动支撑方式,大口径SiC主镜可以应用在地基望远镜中.     

中心支撑610mm圆形主镜的超轻量化设计

为满足轻小卫星相机质量更轻、性能更好的要求,对某离轴三反空间相机610mm口径圆形主镜进行了超轻量化设计.选用背部中心单点支撑方式,采用变筋厚和变筋高的设计形式,结合集成优化方法,设计的主镜质量仅为6.23kg,面密度约为21.3kg/m2.并设计了主镜的支撑结构,仿真分析了组件的静、动力学性能.结果表明:三个方向重力工况下主镜的面形准确度(RMS值)均优于6nm,4℃均匀温变载荷工况下主镜的面形准确度优于1nm;主镜组件的一阶自然频率为112 Hz,频响分析的最大应力发生在钛合金柔性连接件的螺栓孔处,最大应力值为104 MPa,远小于钛合金的屈服极限870 MPa.主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,本文所述单点支撑形式的最大适用口径为683mm,为同类型空间反射镜的超轻量化设计提供了思路和参考.     

1.2m轻量化SiC主镜支撑系统优化设计

针对1.2 m轻量化SiC主镜,提出了轴向支撑采用18点Whiffle-tree结构结合压杆结构,侧向支撑采用A-Frame柔性机构结合切向支撑机构的支撑方案。从原理上对该主镜支撑方案进行了分析,说明了采用以上两种结构的优点;通过有限元方法对各个机构参数进行了分析、优化,并对整体结构进行了静力学以及热学仿真。实验显示：在参考温度下主镜面形精度（RMS）值为3.5 nm;温差达到40℃时,RMS值为11.1 nm。该设计方案满足了1.2 m轻量化SiC主镜的支撑要求,同时可以很好地抵消热应力对主镜的影响。     

温度和支撑方式对1.2m SiC主镜面形的影响分析

为了研究温度和支撑方式对大口径SiC主镜用于地基望远镜的影响,基于1.2 m SiC主镜建立了有限元模型,分析了主镜在被动支撑和自由膨胀时,恒定温度场,轴向温度梯度,径向温度梯度和内外温差等对主镜面形的影响.结果表明,存在温度梯度时,支撑方式影响不明显,无论是被动支撑还是自由膨胀,镜面面形均很大.在达到热平衡后,即稳态...     

基于迭代算法的两平板互检求解方法

提出了一种基于两平板绝对检验的迭代面形恢复算法。算法基于两平板互检方法,通过分别翻转和旋转其中一块平板,获得4次两两测量结果。对测量得到的4个结果数据进行翻转和旋转逆操作,直接推导出三个面形与测量结果及相互之间的关系公式。设置初始面形,逐次迭代逼近4次测量结果。实验表明,该方法仅需要50次以内迭代,即可得到偏差小于0.1nm均方根值的绝对面形。详细分析了实验过程中的各项误差来源,并对每项误差进行了定量计算,获得总的测量误差为1.417nm。     

8m能动薄主镜侧支撑设计

薄主镜支撑系统分为轴向和侧向支撑两部分,侧向支撑承担主镜垂直于光轴方向的重力分量。介绍了pushpull-shear侧支撑及能动校正原理,并针对一块8 m口径薄主镜进行了侧支撑设计。设计了5种备选侧支撑方案,并考虑到主镜对面形的能动校正能力,借助有限元计算对它们进行了分析和比较,选出了一种最佳方案作为8 m薄主镜的侧支撑方案。该侧支撑方案共有64个侧支撑点,每个侧支撑点仅施加沿主镜切向的支撑力。当主镜竖直放置时,主镜能动校正后的镜面均方根值为19.2 nm,校正力范围为-318.9~301.4 N。相比传统push-pull-shear侧支撑方式,该侧支撑方案结构简单,易于实现,同时支撑效果良好。     

基于N次图像旋转法的两平晶三面互检技术研究

光学平面面形的绝对检验技术规避了干涉仪参考面形精度的制约,能够有效提高平晶面形的检测精度。采用N次图像旋转法的两平晶三面互检的绝对检验技术,求解待测平晶的三维绝对面形分布,结果中包含了中频波段的信息。利用递推公式构造旋转变化项的N次虚拟旋转结果,求和平均后得到旋转变化项,叠加旋转不变项结果后得到待测波面面形。推导了算法的理论误差,针对旋转角度进行优化并增加虚拟旋转次数,提高了算法精度,优化后的仿真结果的残差波面的均方根值精度为0.14 nm。对150 mm口径平晶进行两平晶三面互检实验,并将实验结果与传统三面互检法结果进行比对,均方根值偏差小于0.5 nm,验证了算法的准确性。     

用等效应力法分析温度变化对胶粘反射镜面形的影响

基于等效应力法分析了温度变化对反射镜面形准确度的影响.对反射镜粘接处施加一定量的径向强迫位移约束,使其受到与热应力大小一致的应力作用,在该强迫位移约束下反射镜面形变化与热应力作用下反射镜面形变化基本一致.对直径为70mm、厚度为15mm的反射镜进行粘接实验,用ZYGO干涉仪测定温变前后反射镜的面形变化.当温度由20℃降到16℃时,反射镜面形峰谷值和均方根值的变化量分别为0.005λ和0.002λ(λ=632.8nm),理论计算的峰谷值和均方根值变化量分别为0.004λ和0.002λ;当温度由20℃升高到30℃时,反射镜面形峰谷值和均方根值变化量分别为0.013λ和0.006λ,理论计算的峰谷值和均方根值变化量分别为0.012λ和0.004λ,实验值和模拟分析值基本一致.     

离轴反射式平行光管结构设计及主镜背部柔性支撑仿真分析北大核心CSCD

设计了一款可用于白光瞄准镜多参数检测的离轴反射式平行光管。针对在使用工况中,低频振动环境对主镜面形误差影响过大的问题,提出一种主镜背部柔性支撑方案,并对主镜柔性支撑的重要结构参数进行了优化。同时对RTV胶的特性进行分析,计算出环形RTV胶的有效属性和等效模量倍率。仿真结果表明,主镜组件在1-g重力作用下,面形误差RMS值和PV值分别为0.79nm、3.66nm,能满足系统指标对于平行光管面形的要求。平行光管整体的一阶模态频率为496.38Hz,具有良好的抗低频振动的能力,在热力耦合作用下,主镜面形误差均满足RMS值≤λ/30,PV值≤λ/10的设计要求,1000N力作用下的最大应力小于材料的屈服极限。主镜采用柔性支撑的离轴反射式平行光管的动态性能与面形精度能满足设计要求。     

基于平移旋转的球面绝对检测技术仿真分析

基于平移旋转的球面绝对检测技术是一种实现高精度面形测量的有效手段。通过绕光轴多次等角度旋转被测球面测得被测面面形误差的旋转非对称部分,并由共心平移被测球面恢复出被测面面形误差的旋转对称部分,合成即可得到被测球面完整的面形信息。详细推导了平移旋转法的理论公式,并进行了仿真分析。仿真结果表明,基于上述方法获得的被测球面面形误差与初始面形误差残差图的均方根值为5.300 010-12 nm,其与初始面形误差均方根值的比值为1.164 110-12,理论误差极小,满足高精度面形检测要求。     

旋转平行光管主镜背部柔性支撑设计与仿真分析

针对光学动态靶标进行光电跟踪光端机的跟踪精度的测试时,旋转的光电平行光管由于离心场的存在导致主镜面型误差过大的问题,提出了一种基于挠性梁减小旋转平行光管离心工况下主镜面型误差的方法。文章首先针对主镜支撑点径向位置最优布局进行求解,其次在Isight优化平台上对主镜背部支撑挠性梁的关键设计参数进行尺寸优化,最终利用Sigfit软件分析了离心工况下主镜面型误差。采用优化后的主镜支撑方案,反射镜在1.64g离心力作用下,主镜面型精度RMS优于0.03λ(λ=632.8nm),组件一阶固有频率为167Hz。采用4D干涉仪对平行光管的波像差进行检测,检测结果表明,平行光管光机系统的波像差RMS值优于0.067λ。经过仿真分析与检测实验证明,采用挠性支撑的旋转平行光管镜的动态刚度与面形精度满足光学动态靶标的应用要求。     

温度对大口径主镜面形变形的影响分析

从理论上论述了温度梯度对主镜面形变形的影响,分析了当光轴位置不同、主镜支撑方式不同时,在轴向温度梯度和径向温度梯度作用下的面形变形。通过计算,得出轴向温度梯度对面形变形的影响要远大于径向温度梯度对面形的影响,而且镜面变形不仅与主镜的线胀系数和其他材料、结构特性参数有关,与温度梯度的大小和方向均有密切的关系。     

超轻量化碳化硅扫描反射镜组件设计

为实现(165mm×96mm)矩形扫描反射镜组件的轻量化并保证反射镜面形精度与组件支撑刚度,提出了一种锥套柔节一体化的背部支撑方法,实现了重量小于0.5kg的超轻量化碳化硅反射镜组件设计。镜体材料的选择为碳化硅,支撑结构材料选择了铟钢。通过有限元仿真对扫描反射镜组件进行了仿真分析,并采用ZYGO干涉仪对实际的反射镜组件进行了检测。实验表明,在各方向重力的工况和轴系驱动时的扭矩作用下,扫描反射镜面形误差的均方根值(RMS)最大值为9.705nm,实际测试结果为10.125nm,误差为4%,满足RMS值优于12.6nm的要求;组件一阶固有频率302.25Hz,满足刚度要求。研究结果表明,锥套柔节一体化背部支撑方法合理、有效,解决了结构超轻量化与结构刚度、光学面形精度难以同时保证的难题。     

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.     

薄膜衍射主镜基底面形误差的像差特性分析

基于衍射光线追迹和波前再现的方法,建立了薄膜衍射主镜基底面形误差所引起波前误差的物理仿真模型。并以边缘褶皱面形和中心向外凸出球面面形两种典型的薄膜基底形变类型为例,分别研究了两种面形误差对衍射主镜成像质量的影响,讨论了这两种典型薄膜形变所引起的主要像差类型,分析了衍射主镜波前均方根误差、面形峰谷值与光学系统斯特列尔比(SR)的相互关系,为进一步研究薄膜衍射主镜的装配夹持和像差补偿提供了理论支撑。     

环形子孔径拼接干涉检测非球面的建模与实验

为实现球面波干涉检测非球面镜片,得到非球面镜片的完整面形信息,提出了基于标记的Givens变换,实现环形子孔径的精确定位和消旋转的处理.利用求解目标函数最小值的方法精确求解拟合波面以对子孔径数据进行处理,建立了全局优化拼接数学模型.对外径150 mm,内径100 mm的抛物面镜片进行三孔径拼接检测实验,均方根值为0.053 λ.对比补偿器法得到的全口径干涉检测结果均方根值△Wrms=0.052 λ,相对误差为1.92%.实验结果表明,该方法稳定可靠,降低了传统的环形子孔径拼接干涉检测方法中对导轨的高精度要求.     

超轻反射镜串联柔性支撑结构优化设计

为了保证微型空间相机的超轻反射镜的面形精度和稳定性,提出一种串联双轴片式柔性支撑结构.以多工况下超轻反射镜面形为目标,应用集成优化方法对该支撑结构进行优化设计,并对优化后的结构进行重力和温度工况下的静力学分析,各工况下反射镜面形均方根值均在3.5nm以内,远优于设计指标.对研制的反射镜组件粘接强度进行校核,并对其动力学性能进行有限元分析和试验验证.结果表明,柔性支撑结构与反射镜粘接面积为1 138 mm~2,反射镜组件的X、Y、Z三向的一阶频率都在500Hz以上.有限元分析结果与试验结果的相对误差均在6.5%以内,验证了有限元分析模型的正确性,表明该串联双轴片式柔性支撑结构设计合理,集成优化方法可靠.     

1m口径主反射镜支撑系统的优化设计

应用有限元法并借助有限元分析软件建立了主镜的三维实体有限元模型,对1m主镜的支撑系统进行了优化设计。分析比较了两种常用主镜侧支撑结构,优化确定了轴向支撑半径、侧支撑方式和侧支撑点位置。分析计算显示主镜处于不同俯仰角位置时的最大面形精度RMS值为5.3nm,满足设计指标要求,该有限元优化设计方法和过程不受主镜直径及厚度的影响,适用于平面、球面、非球面甚至异形面主镜的设计。结果表明了所设计的支撑系统方案的合理性与可行性。