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。     

快反系统中平面反射镜的轻量化设计

根据快速控制反射镜系统(快反系统)对平面反射镜的设计要求,对快反镜的轻量化结构进行了优化设计。选择比刚度大、热变形系数小的碳化硅为镜坯材料,采用背部开槽式结构减重,背部3点式支撑,对不同筋宽和镜面厚度等多种轻量化方案进行了有限元分析。结果表明:筋宽越大,镜体刚度越好,但筋宽增大到一定程度时,反射镜刚度的改善程度减缓;镜面越厚,镜体内应力、自重变形越大。结合反射镜设计要求和有限元分析结果,加工制备了筋宽为4 mm,镜面厚度为4 mm的碳化硅反射镜,镜体轻量化率达55%。实测反射镜的面形精度,其RMS值不超过λ/30,与分析结果相符,满足系统的使用要求。     

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。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

大型轻质反射镜加工支撑状态的有限元分析研究

根据大型轻质镜加工过程中的受力情况 ,用有限元对镜子进行静力学分析和计算。分别计算了镜子的自重、磨盘正压力、磨盘剪切力等对镜面变形的影响情况。根据镜面变形规律设计了一系列支撑结构 ,最终确定了符合面形质量要求的支撑结构。     

大口径光学元件重力变形补偿的设计分析

根据弹性板壳理论,建立了大口径光学元件的几种理论模型.提出了一种补偿大口径光学元件重力变形的方法,该方法通过在透镜镜框边缘施加作用力,使透镜产生与重力变形反向的挠性变形,抵消重力变形的影响.建立了带镜框的大口径透镜的分析模型,证明了通过优化施加力的大小和支撑点位置使透镜产生挠性变形的方法能有效消除重力变形的影响.     

大口径光学元件重力变形补偿的设计分析

根据弹性板壳理论,建立了大口径光学元件的几种理论模型。提出了一种补偿大口径光学元件重力变形的方法,该方法通过在透镜镜框边缘施加作用力,使透镜产生与重力变形反向的挠性变形,抵消重力变形的影响。建立了带镜框的大口径透镜的分析模型,证明了通过优化施加力的大小和支撑点位置使透镜产生挠性变形的方法能有效消除重力变形的影响。     

空间太阳望远镜主镜支撑结构的优化设计

空间太阳望远镜主镜是有效口径为1m的抛物面镜,工作状态需要达到衍射极限,因此光学系统要求主镜面形误差小于λ/40(RMS),精度主要靠主镜支撑结构来保证。主镜支撑结构应满足地面调试、在轨及发射状态的需要。支撑结构试验样机已经加工完成,地面调试结果表明主镜的镜面变形满足整个光学系统的要求。试验样机强度和刚度还有较大余量,结构本身比较复杂。用有限元分析方法进行优化设计,优化后的主镜支撑结构满足地面调试、在轨及发射状态的需要,也能保证主镜的面形满足整个光学系统的要求,有效减轻仪器重量、简化支撑结构的同时,提高了整个仪器的可靠性。     

折射/谐衍射红外双波段成像光谱仪系统研究

为了获取足够的目标信息,充分利用中波红外和长波红外的光谱信息,建立了谐衍射中、长波红外超光谱成像系统.利用谐衍射元件独特的色散特性,将谐衍射透镜应用于中、长波红外超光谱成像系统中,使系统在中波红外3.7—4.8 μm和长波红外8—12 μm的2个红外大气窗口内获取数百个光谱图像.设计结果表明,中波红外波段,在18对线/mm处光学系统的调制传递函数(MTF)大于0.55,长波红外波段,在13对线/mm处光学系统的MTF大于0.5,光学系统的衍射环绕能,在中波红外波段30 μm半径范围内大于85%,在长波红外     

红外热波无损检测中材料表面下缺陷类型识别的有限元模拟及分析

鉴于红外热波无损检测中被检测物的形状、尺寸、材料和缺陷类型的不同，为给红外热波无损检测提供前期实验结果的预演，利用大型有限元分析软件ANSYS选择3种热特性差异较大的均匀材料，设计了三维模型。利用软件的前处理器和通用后处理器，绘出不同时刻模型表面的温度场分布，以此确定温度分布材料缺陷的类型。通过对模拟数据进行分析，绘出不同缺陷的温度变化曲线。根据曲线斜率的不同，可定性确定缺陷的类型。模拟结果说明：大型有限元分析软件ANSYS可用于红外热波无损检测实验过程的模拟,模拟结果与实验结果相符。该方法可用于其他不同缺陷类型的模拟及定量识别。     

小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析

根据小型Offner凸光栅光谱成像仪光学系统的特点,对其反射镜支撑结构和桁架结构进行了研究,完成了小型Offner光谱成像系统的结构设计,建立了系统的3D实体模型。为了验证结构设计的合理性,对设计的3D模型进行有限元分析。在模态分析中得到该结构的第一阶固有频率为362 Hz,高于系统设计要求的120 Hz;在加速度及温度载荷分析中,得到主要光学元件的面形值以及它们之间的相对位置变化,其离轴及偏角均在允许公差范围内,说明结构刚度满足使用要求,证明了结构设计的合理性。     

小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析

根据小型Offner凸光栅光谱成像仪光学系统的特点,对其反射镜支撑结构和桁架结构进行了研究,完成了小型Offner光谱成像系统的结构设计,建立了系统的3D实体模型。为了验证结构设计的合理性,对设计的3D模型进行有限元分析。在模态分析中得到该结构的第一阶固有频率为362 Hz,高于系统设计要求的120 Hz;在加速度及温度载荷分析中,得到主要光学元件的面形值以及它们之间的相对位置变化,其离轴及偏角均在允许公差范围内,说明结构刚度满足使用要求,证明了结构设计的合理性。     

时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求,提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构.对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析.作为该成像光谱仪的重要部件,前置成像系统决定了光程差的分布,其性能直接影响到目标物体的图像质量.根据系统光程差的产生方式,分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统.利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究.结果表明:当温度在-20—60?C的范围内时,各个视场的调制传递函数均达到衍射极限,在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好;在不同的温度下,各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02?.     

对于具有大范围运动和非线性变形的柔性梁的有限元动力学建模

研究具有大范围运动和非线性变形的柔性梁的有限元动力学建模.采用有限元方法对梁结构进行离散,利用Lagrange方程建立系统的精确动力学方程.该方程不仅增加了新的表征纵向、横向、侧向弯曲变形,以及扭转变形的耦合项,同时包含了变形运动与大范围运动之间的相互耦合项.     

由于表面粗糙引起的激光声表面波色散的实验和理论研究

表面粗糙是材料制造过程中必有的副产物, 粗糙表面会引起其中传播的声表面波的速度发生变化. 在利用激光声表面波对材料性质进行评估时, 常用宽带的激光声表面波速度频散特性对材料性质进行反演. 为了研究表面粗糙度是否能作为反演的特征参数之一, 本文建立了激光在表面粗糙样品中激发声表面波、聚偏氟乙烯换能器宽带接收声表面波的实验装置来研究不同粗糙度表面对声表面波速度的影响; 理论上建立了激光在粗糙表面中激发声表面波的计算模型, 利用有限元法得到声表面波的时域特征, 并进一步得到声表面波的速度色散曲线, 理论结果和实验结果能很好地拟合. 这为利用激光声表面波对表面粗糙的评估提供理论和实验依据. 关键词： 表面粗糙 激光声表面波 速度色散 聚偏氟乙烯传感器 有限元法     

A design of novel photonic crystal fiber with low and flattened dispersion for supporting 84 orbital angular momentum modes

A dual-guided photonic crystal fiber(PCF) with low and flattened dispersion is designed, which can support a large number of orbital angular momentum(OAM) modes. The properties of the proposed PCF are systematically analyzed through the finite element method. The results show that the proposed PCF can support up to 84 OAM modes with 600 nm bandwidth ranging from 1000 to1600 nm. All values of mode purity are above 91.7%, the isolation parameters are larger than 67 dB and the maximum value up to 145 dB, the lowest confinement loss is only 5×10~(-13) dB·m~(-1).More importantly, the values of dispersion for all modes are less than 40 ps·km~(-1)·nm~(-1), and the lowest dispersion variation is only 0.7 ps·km~(-1)·nm~(-1). These superior optical properties make the proposed PCF have great advantage in stable transmissions of data and long-distance optical fiber communication system with large capacity.     

A novel method of partial coherence measuring for the illumination system and its defocus performance analysis

Partial coherence (generally represented by σ) is one of the important parameters of lithographic tool to assess the performance of pupil fill. In this paper, a novel method of partial coherence measurement for the illumination system is proposed. Statistical results of measured σ by the proposed method are analyzed. The dependence of partial coherence on the defocus, which is the distance from the measuring position to the best image plane, is also investigated. The simulation results prove the effectiveness of this method, and with the defocus increasing, the measured partial coherence decreases. Generally, if three times of the standard deviation is required to be 1 × 10⁻³, the amount of defocus should be less than 96 μm.     

A numerical study of the target system of an ADSS with different flow guides

The mechanical design of the target module of an accelerator driven subcritical nuclear reactor system (ADSS) calls for an analysis of the related thermal-hydraulic issues because of large amount of heat deposition in the spallation region during the course of nuclear interactions with the molten lead bismuth eutectic (LBE) target. The LBE also should carry the entire heat generated as a consequence of the spallation reaction. The problem of heat removal by the LBE is a challenging thermal-hydraulic issue. For this, one has to examine the flows of low Prandtl number fluids (LBE) in a complex ADSS geometry. In this study, the equations governing the laminar flow and thermal energy are solved numerically using the streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) finite element (FE) method. The target systems with a straight and a nozzle guide have been considered. The principal purpose of the analysis is to trace the flow and temperature distribution and thereby to check the suitability of the flow guide in avoiding the recirculation or stagnation zones in the flow space that may lead to hot spots.      

Propagations of Rayleigh and Love waves in ZnO films/glass substrates analyzed by three-dimensional finite element method

Propagation characteristics of surface acoustic waves(SAWs) in ZnO films/glass substrates are theoretically investigated by the three-dimensional(3D) finite element method. At first, for(11ˉ20) ZnO films/glass substrates, the simulation results confirm that the Rayleigh waves along the [0001] direction and Love waves along the [1ˉ100] direction are successfully excited in the multilayered structures. Next, the crystal orientations of the ZnO films are rotated, and the influences of ZnO films with different crystal orientations on SAW characterizations, including the phase velocity, electromechanical coupling coefficient, and temperature coefficient of frequency, are investigated. The results show that at appropriate h/λ, Rayleigh wave has a maximum k~2 of 2.4% in(90°, 56.5°, 0°) ZnO film/glass substrate structure; Love wave has a maximum k~2 of 3.81% in(56°, 90°, 0°) ZnO film/glass substrate structure. Meantime, for Rayleigh wave and Love wave devices, zero temperature coefficient of frequency(TCF) can be achieved at appropriate ratio of film thickness to SAW wavelength. These results show that SAW devices with higher k~2 or lower TCF can be fabricated by flexibly selecting the crystal orientations of ZnO films on glass substrates.