应用于反射镜支撑结构拓扑优化的共形正交基底

传统的Zernike多项式在光机优化设计中存在着一定的局限性,如离散情况下正交性损失仅适用于与圆同胚的边界光滑平面单连通区域。利用Laplace方程得到的特征模态所具有的离散正交性和共形性质,在有限元数值离散的情况下,实现对光学曲面变形的近似表述,并对圆形光学反射镜支撑结构进行以特征基底系数极小为目标的结构拓扑优化。将特征模态的优化结果与Zernike多项式优化结果对比之后发现,特征模态可以取得和Zernike多项式近似的优化性能。在此基础上,进一步将特征模态应用于六边形曲面镜支撑结构的拓扑优化。     

大长宽比长条形SiC反射镜的优化设计与试验

针对某离轴三反光学系统中的大长宽比长条形SiC反射镜镜面边缘随机振动加速度响应均方根值过大的特点,提出一种采用"基结构法"的反射镜结构拓扑优化方法,以随机振动加速度响应均方根值最小化为优化目标.首先对某初始反射镜结构进行有限元分析,发现反射镜镜面边缘点Z向加速度响应均方根值过大.其次,应用连续体结构拓扑优化思想,以反射镜镜面边缘点的随机振动加速度响应均方根值作为优化目标,以镜面峰谷值、镜体一阶约束频率作为约束条件,以反射镜筋板式基结构作为优化空间,对反射镜镜体结构进行拓扑优化设计,得到了一种各项力学性能指标及面形精度均满足指标要求的反射镜轻量化结构.最后,通过有限元分析与振动试验,验证了本文设计的反射镜结构拥有良好的力学性能,其中反射镜镜体质量相比优化前降低了13%,镜面边缘点的Z向随机振动加速度响应均方根值降低了58%,证明了本文优化方法的有效性.     

长条形反射镜体轻量化结构的参数优化设计

提出了一种对长条形反射镜轻量化结构进行优化设计的方法。利用ANSYS软件建立反射镜体结构的参数化模型,将有关结构参数变量指定为优化设计变量,以反射镜体在地面重力作用下的镜面变形误差以及在承受发射过载时所产生的最大VonMises应力作为约束条件,结合有限元法对镜体轻量化结构的尺寸参数进行优化分析,得到了轻量化程度高,镜面变形误差完全满足设计要求的反射镜体。     

大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法

介绍了一种大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法,该方法是一种理论性强、效率高的新型轻量化优化设计方法。采用变密度法建立连续体结构拓扑优化数学模型,利用OPTISTRUCT优化软件,以主反射镜光轴垂直时在自重作用下的镜面变形与第一阶自然频率作为约束,将主反射镜体积最小作为目标函数进行了连续体拓扑优化。依据优化的拓扑结构形式,结合结构力学及灵敏度分析得到了满足镜面面型、结构刚度及轻量化率要求的最佳主反射镜轻量化结构。     

长条型SiC反射镜轻量化及支撑结构的设计

从满足空间光学遥感器反射镜在复杂工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了长条型反射镜柔性支撑结构材料的选择,讨论了反射镜轻量化及柔性支撑结构的设计方法,采用有限元法进行了工程分析及多次迭代优化,设计出了一种在不同重力方向下引入面形误差变化量RMS值小于λ/40(λ=632.8nm)的反射镜柔性支撑结构。检测实验证明,各项指标均满足设计要求。     

大口径铝合金主反射镜设计与分析

针对铝合金材料,设计了大口径红外相机主反射镜,反射镜口径420 mm。以径厚比、支撑点数量和轻量化结构形式为输入点,设计了一种背部开放式、三角形轻量化结构和背部3点支撑的结构形式。通过有限元分析软件对反射镜的动态刚度及自重和温度载荷下的面形变化进行了分析。分析结果表明:反射镜具有高的动态刚度,反射镜自重工况和-40 ℃均匀温降下,面形精度RMS分别为30 nm和0.2 nm,均满足光学设计提出的/10（=632.8 nm）指标要求,为大口径铝合金反射镜的设计提供了理论依据。     

基于Zernike系数优化模型的光学反射镜支撑结构拓扑优化设计方法

使用Zernike多项式表征镜面的变形,应用伴随变量法推导Zernike系数对拓扑优化设计变量的敏度,克服了差分法求解敏度时计算量大的问题,实现了基于Zernike系数直接建构具有成千上万设计变量的优化模型的目标函数以及设计约束.同时,在有限元数值离散的理论框架下,采用有限单元基函数以及单元数值积分的程序实现了结构变形以及Zernike系数的求解,简化了计算流程的同时还能保证计算精度.本文算法可以对目标函数或约束为线性组合的Zernike系数的一般结构拓扑优化模型进行优化,具有一定的泛用性.     

背部支撑主反射镜的面形分析与支撑点优化

应用有限元方法对背部支撑的主反射镜进行静力学分析.分别对三点支撑和九点支撑进行计算,得到主镜反射面的变形值.以齐次坐标变换法和最小二乘法为理论依据求解反射面变形的PV/RMS值.利用有限元分析软件提供的二次开发功能,编写计算程序,在软件内部调用该程序直接获得PV/RMS值,利用该值作为优化分析的目标函数,寻求背部支撑的最佳支撑点位置.     

激光反射镜的散射损耗分析与设计

在激光反射镜的光学损耗里,表面散射损耗(SSL)对高精密的激光仪器性能和实验影响尤甚,有时是致命的。本文根据光学膜系散射和吸收理论分析了反射镜膜系的SSL与吸收损耗,反射率以及膜系特点、材料之间的关系和矛盾,利用光场在膜系中的合理分配方法,设计了一种旨在减小SSL的新型激光反射镜膜系。设计结果表明,在相同设计下,用La₂O₅/SiO₂和ZnS/MgF₂构成的新的组合膜系的激光反射镜与通常的ZnS/MgF₂膜系的激光反射镜比较,SSL的减小达到了设计要求,而且使激光反射镜中另一主要损耗——体积损耗(VL)减小更多,其它的一些性能也得到了改善。采用此新型膜系可望做出总损耗小于0.1%,反射率在99.9%以上的低表面散射损耗的高质量激光反射镜,它对激光技术的发展与应用有着重要的意义。     

背部支撑主反射镜的面形分析与支撑点优化

应用有限元方法对背部支撑的主反射镜进行静力学分析.分别对三点支撑和九点支撑进行计算,得到主镜反射面的变形值.以齐次坐标变换法和最小二乘法为理论依据求解反射面变形的PV/RMS值.利用有限元分析软件提供的二次开发功能,编写计算程序,在软件内部调用该程序直接获得PV/RMS值,利用该值作为优化分析的目标函数,寻求背部支撑的最佳支撑点位置.     

大口径碳化硅反射镜轻量化结构与镜坯成型

大口径光学反射镜的材料选择与研制一直是空间光学系统的主要核心技术,采用凝胶注模成型(Gel-Casting)技术一次性完成1.45m碳化硅反射镜镜坯成型,再经1 700℃反应烧结得到一块完整的碳化硅镜坯。介绍了大口径轻质碳化硅反射镜镜坯的基本结构,系统阐述了SiC反射镜镜坯的制备工艺。结合金相显微镜、XRD物相分析及力学性能测试对SiC镜坯的组织结构进行分析,测试数据表明:1.45m碳化硅反射镜镜坯的密度≥3.0g/cm3,抗弯强度≥330 MPa,弹性模量≥340GPa,轻量化率74%。碳化硅反射镜镜坯的力学性能均能满足空间光学系统设计的要求。     

一种小型空间反射镜支撑结构的设计与分析

为了确保成像质量,空间光学遥感器反射镜既要满足在重力和温度耦合的复杂工况下面形误差的要求,同时还应具有良好的动态特性.设计了一种圆形小型反射镜,并类比反射镜径向挠性安装原理设计其柔性支撑结构.采用CAE有限元分析软件对该反射镜的柔性支撑结构的参数进行了优化,最终确定了一种合理的柔性支撑结构.经过分析计算,该柔性支撑结构...     

小型反射镜支撑方案的设计与分析

从满足空间小型光学遥感器反射镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了长圆形小型反射镜及其支撑结构材料的选择,讨论了反射镜柔性支撑结构的设计方法,运用CAD/CAE工程分析软件对其进行了分析和优化,应用有限元法优化出了一种合理的反射镜柔性支撑结构。经过动力学试验验证,证明了该结构具有足够的动态特性。     

宽温变环境的空间反射镜结构分析与研究

相机在从地面到太空的过程中,需要经历重力、温度、气压、辐射等多种环境因素的变化,而这些因素都可能导致空间相机分辨率下降、像质变坏、功能失效甚至系统破坏。所描述的系统工作于18±15℃的温度环境,要求光学反射镜在30℃温度变化范围内仍能正常成像。经优化设计,应用计算机仿真手段进行了静、动态及热特性的分析,提出了一种采用中心粘接结合Bipod柔性支撑形式,解决了在大跨度环境温度范围下的反射镜结构支撑问题。     

近红外无创生化分析中集光椭球反射镜参数设计与优化

近红外光谱技术检测速度快,不破坏样品,可在线分析,是血液无创生化分析能够获得应用的最具潜力的方法之一。但是由于人体血液的吸收光谱信号微弱,而常规光谱仪器在近红外无创生化分析中的光能利用率较低,给无创检测技术应用在临床分析上带来了困难。为了解决此问题,利用椭球反射镜的聚光特性,从几何光学角度出发,分析了椭球镜像点位置分布情况,并采用光线追迹方法优化其初始结构,从而将手指漫反射光高效收集到探测器上。通过仿真分析计算,该椭球反射镜的光能利用率比常规无收集装置的利用率提高了近5倍,增强了仪器检测血液吸收光谱信号的能力,有助于提高仪器信噪比。     

反射镜浮动支撑的应力与变形分析及支撑参数的优化

本文利用有限元分析对均匀压力浮动支撑的反射进行了应力、变形分析,利用优化方法计算了反射镜面变形的RMS值,并给出了均匀压力浮动支撑的最佳接触角。     

碳化硅反射镜坯体光学加工的残余应力测量与分析

测量并分析了碳化硅反射镜坯体光学加工的残余应力。采用X射线衍射法测定了磨削成形、研磨以及抛光过程引入的表面残余应力的性质和大小;采用逐层抛光法测定了在用120#粒度金刚石砂轮磨削时引入的残余应力层厚度。研究结果表明:在用120#金刚石砂轮磨削加工时沿磨削方向和垂直于磨削方向分别引入了残余拉应力和残余压应力,其大小分别为40MPa和70MPa,应力层深度约为60μm,大于裂纹层深度;在用W7金刚石微粉研磨时引入了残余压应力,在其作用范围内残余应力平均值为60～80MPa;在抛光时理论上会引入残余压应力。在此基础上提出了在碳化硅反射镜坯体的光学加工过程中,可以通过研磨消除磨削引入的裂纹层和残余应力层。     

面向多目标集成优化与二次烧结工艺的SiC反射镜组件超轻量化结构设计

为了满足高精密空间光学设备超轻量化要求,运用参数优化技术、有限元分析与先进碳化硅(SiC)制造技术,提出了一种多目标集成优化与二次烧结工艺相结合的Φ600mm反射镜组件超轻量化结构设计方法。X、Z两个方向上的SiC反射镜面形的均方根值(RMS)、重量为优化目标,将反射镜轴向厚度、镜面厚度等参数作为设计变量,获得了轻量化率为90.55%的超轻量化反射镜结构;提出反射镜支撑结构同样采用SiC材料,利用二次烧结工艺方法,将两者直接烧结成型,减少粘接装配环节,获得了轻量化率为92%的反射镜组件;利用有限元分析与试验对超轻量化结构设计方法的正确性和合理性进行了验证。结果表明：在重力载荷、温度载荷、镜面加工残差的综合影响下,反射镜组件面形误差RMS值为10.034nm,优于12.6nm的设计要求,且动态刚度良好,满足使用要求。     

易于多面共体加工的自由曲面离轴三反系统设计

将自由曲面离轴反射系统的曲面加工在同一个基底上实现了多面共体制造,可以有效降低装调难度,进而提升系统的稳定性。提出了一种有柱形轮廓的多面共体自由曲面离轴三反成像系统的设计方法,基于共焦离轴二次曲面实时生成满足离轴共体系统结构和初阶参数要求的初始结构。提出了一种基于曲面采样点位置约束的自由曲面优化方法来控制系统整体外轮廓的形状与大小,使系统的曲面易于实现共体加工。基于光线追迹信息控制系统的焦距,并抑制光线遮拦和光瞳像差。采用Q2D多项式自由曲面进行系统优化,降低曲面检测难度。最终设计了一款高像质、低畸变、易于共体加工的自由曲面离轴三反热成像系统,并根据自由曲面面形特点对该系统进行了公差分析。     

大口径SiC轻量化主镜的优化与有限元分析

为达到高度轻量化的目的,以口径为1000 mm光电经纬仪的扇型SiC轻量化主镜为研究对象.通过对主镜背部加强筋的厚度、背部半封闭型面板的厚度和主镜的总厚度进行优化,使主镜的体积和质量均减小.建立三维模型后,利用有限元软件Abaqus建立有限元模型,得到有限元仿真结果后对主镜进行变形分析.利用Zernike多项式对主镜变...