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。     

空间光学遥感器次镜参数化设计

根据某空间遥感器次镜设计指标要求,采用ANASYS多参数优化设计功能对次镜轻量化进行优化设计。利用UG软件建立反射镜体结构的参数化模型,在ANSYS中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反射镜支撑孔位移为零作为约束条件,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,得到了轻量化率达到80.635%,镜面面形精度RMS为6.953 nm,PV值为31.317 nm,满足设计要求的反射镜。     

半导体制冷对镜面热变形影响的数值研究

为了减小激光辐照下反射镜镜面的热变形问题,建立了反射镜热变形的有限元分析模型。对不同制冷功率时的镜面热变形进行分析,然后针对吸收功率为50 W、光斑半径为镜体半径1/3时的TEM00模高斯光束对镜体结构进行优化,对优化后的反射镜在不同参数的TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束辐照下的热变形进行了分析。仿真结果表明,当施加滞后于激光辐照且与吸收功率近似大小的制冷时,有利于减小镜面热变形,且镜体最终会趋于相对稳定的热平衡状态。此外,当镜体背部切去一厚度为1.4 mm、内径为25 mm的环状区域时,热变形峰谷(PV)值仅为0.005μm;同时,优化后的镜体也可在一定程度上减小其他参数激光辐照下的镜面热变形的PV值。对于TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束,均满足光学系统对热变形的要求。     

φ1.8m轻质镜能动磨盘技术抛光的柔性限位支撑设计仿真与优化分析

大口径轻质反射镜采用柔性支撑结构可以降低外界力载荷、惯性载荷及热载荷的负作用,从而保证光学系统的成像质量。为消除加工、检测与系统装调过程的定位误差,研究了应用于计算机控制能动磨盘加工(CCAL)技术抛光的柔性限位支撑模型。利用有限元分析软件(Ansys),分析φ1.8m轻质镜采用柔性限位支撑时,CCAL技术抛光引起轻质镜的最大倾斜量、最大主应力以及主镜面变化范围,对支撑盘的口径及位置进行了优化设计,模拟仿真18点弹簧在不同压缩量下的镜面变形。仿真分析结果表明,柔性限位支撑的结构刚度、轻质镜底板倾斜量满足能动磨盘加工条件,最大主应力强度远小于主镜的许用应力,主镜面变形符合加工要求。     

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。     

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.     

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。     

双面共体反射镜结构优化设计与分析

为了满足某同轴四反红外光学系统中主四双面共体反射镜的性能要求,需要镜体在高轻量化率的同时具有更高的刚度,保持两个镜面面形稳定。该文采用拓扑优化的方法,以刚度最大为优化目标,约束设计域体积分数的方式对双面共体反射镜初始模型进行优化。优化结果表明,主镜面与四镜面通过以光轴为中心呈辐射形排列的筋板连接时刚度较高;通过自由尺寸优化获得主、四镜面和筋板的最佳尺寸参数;参考优化结果设计主、四共体反射镜,最终方案轻量化率达到82.4%。对主四反射镜模态及1g重力对面形RMS的影响进行分析,求得一阶频率达到417 Hz;1g重力作用下反射镜面形变化最大为λ/22（λ=632.8 nm）。分析结果表明,优化后的镜体刚度足够,且具有较好的抵抗重力变形能力。按照优化后的设计方案进行反射镜的加工和测试,主、四镜面形RMS实测结果均约λ/7,满足红外光学系统的性能要求,证明了本文优化设计方法的有效性,为双面共体反射镜的设计提供一定的借鉴作用。     

一种新型的轻质反射镜材料

对使用轻质材料制作的轻量化空间光学反射镜的应用背景进行了阐述,并论述了轻量化技术的关键环节-镜体材料的选择;提出高轻量化率镜体的材料选择准则:将碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与铍(Be)、碳化硅(SiC)材料进行了综合比较和讨论,并针对CFRP材料的镜体结构进行了有限元仿真计算,最终选择了CFRP作为轻质空间光学反射镜的镜体材料.     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

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。     

钢带支撑轻量化椭圆镜的变形研究

应用有限元分析方法,借助于MSC.Nastran有限元分析软件,对钢带支撑下的大尺寸轻量化椭圆反射镜进行了受力、变形分析.用Excel绘出了钢带对椭圆镜边缘的正压力的分布曲线,得出了钢带对椭圆镜的正压力在最低点最大,随着支撑位置的上升而逐渐减小的分布规律.由镜面节点变形结果计算出椭圆镜在钢带支撑下的镜面面形误差RMS值为11.7nm,满足实际系统的面形准确度要求.     

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。     

轻型反射镜研究与发展

应用有限元分析方法研究了自重对轻型反射镜变形的影响，反射镜轻量化技术及关键材料，并研制出Φ６３０ｍｍ轻型熔石英反射镜；高温２００℃、低温－４０℃及５年时效对面形稳定性影响；轻型熔石英反射镜加工技术；轻型反射镜宽带高反射膜系及镀膜技术。利用上述技术研制出Φ３００ｍｍ、Φ４１０ｍｍ、Φ４７０ｍｍ及Φ６３０ｍｍ球面及非球面熔石英轻型反射镜及平面反射镜。轻型反射镜减重达７０％，Φ６３０ｍｍ轻型非球面反射镜仅重２０．２ｋｇ。Φ４７０ｍｍ球面轻型反射镜加工后面形ＰＶ值０．１１７λ，ＲＭＳ值０．０２４λ（λ∶６３２．８ｎｍ）。     

大口径主镜轻量化结构参数的优化设计

针对空间遥感器中大口径主镜的轻量化结构设计引入了基于Kriging近似模型的多目标遗传优化方法,以2 m口径SiC主镜为例对其轻量化结构参数进行了优化设计。采用拉丁超立方法对优化参数进行试验设计,建立了Kriging模型,并用多目标遗传算法迭代求得了最优解。优化后得到了质量为243 kg的2 m口径SiC主镜,其面形精度达到了25.7 nm PV,4.7 nm RMS,轻量化率为84%。试验结果验证了此优化设计方法的可行性,为大口径主镜的轻量化结构参数优化设计提供了借鉴和参考。     

大尺寸矩形准直镜轻量化结构多学科优化设计

在极大望远镜宽视场光谱仪准直镜结构轻量化研究中，实施多学科多目标优化的可行性设计。通过多目标遗传算法结合多学科协同对准直镜轻量化结构进行优化设计，即以镜面形状要素为优化参数、镜面面型和质量为目标，并借助遗传算法为优化算法获取Pareto最优解。对比研究了不同轻量化孔轻量化后综合性能和轻量化后准直镜的热稳定性，三角型轻量化后准直镜轻量化率为70%，PV值为82.696 nm; 矩形轻量化孔准直镜轻量化率为75.3%，PV值约为107.03 nm; 准直镜环境温度变化为10 K时，准直镜形变约增加一倍。研究结果表明:三角形轻量化孔综合评价优于矩形孔; 准直镜结构轻量化多目标优化设计全面考虑了准直镜结构轻量化、轻量化孔形状要素和光学面型形变等多学科之间耦合问题，设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解，这将大幅度降低开发成本和周期。     

空间光学遥感器主反射镜轻量化及支撑设计

为了得到某空间光学遥感器主反射镜合理的结构及支撑方式，检验新型光学材料SiC的光学性能，尤其是应用于空间光学系统的可行性，通过建立该空间光学遥感器主反射镜组件的虚拟样机，采用有限元仿真的方法，分析主反射镜在背部采取不同形式轻量化情况下的质量及质心位置。建立几种主反射镜的有限元模型，采用合理的MPC约束边界条件，用有限元方法分析主反射镜在加工、测试状态下自身重力作用对反射面面形精度的影响。经过仿真比较及轻量化优化设计，得到一种主反射镜及支撑的合理化结构，轻量化率达到75.6%，反射镜面RMS值为12.53nm，Pv值为54.52nm。最后的分析结果表明：质量、刚度及反射镜面精度均满足工程要求。