700mm光学望远镜结构设计与分析北大核心CSCD

针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜,提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案,保证主镜具有高面形精度;望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构,既满足望远镜整体重量较轻,又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型,分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性,其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测,光学系统RMS可达到λ/14,鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm,均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。     

基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计

为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求,研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先,基于连续体结构拓扑优化的思想,以单元虚拟密度为设计变量,以位移变形和一阶频率及质量为优化约束,应变能最小为优化目标,建立了底座设计的拓扑优化数学模型,并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度;然后,对底座结构应用拓扑优化设计,并以所得的理想概念构型为基础,进行底座结构的详细设计;最后,采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明,底座质量从27.66 t减至22.15 t;最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm;一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz;在减小质量的同时,有效提高了底座结构的静刚度和动刚度,验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。     

基于多体系统理论的光电望远镜误差建模分析

大型光电望远镜在空间目标探测和天文观测中发挥的作用越来越大,它的探测能力、指向精度是影响其发展的主要因素。首先分析了影响望远镜指向精度的各个误差,然后根据多体系统理论,构造望远镜拓扑结构,在此基础上建立其空间误差指向模型。根据得到的指向误差模型,分析研究了三轴误差对方位测角误差和俯仰测角误差的影响。区别于传统球谐方法,该误差指向模型更全面的综合了各项误差,对进一步的误差分配和误差补偿具有一定的指导意义。     

压电智能桁架结构的建模与最优振动控制

为了实现桁架结构振动主动控制,建立了智能桁架结构动力学模型和最优振动控制模型,对动力学建模和最优控制建模方法进行了研究。首先根据有限元理论和Hamilton原理,建立了智能桁架结构的机电耦合动力学方程,方程中含有与作动电压有关的耦合刚度矩阵,采用缩聚变换对动力学方程进行了简化,该动力学方程可用于机械/电荷作用下结构的静动力分析和控制系统设计。然后将推导的动力学模型变换为状态空间方程的形式,根据线性二次型最优控制理论,推导了结构振动控制的数学模型,通过最小化性能泛函,求解黎卡提矩阵代数方程确定了最优控制输入。最后给出了平面桁架结构振动控制算例验证建模过程和算法。结果表明,通过最优振动控制可以使结构振动快速衰减,达到振动抑制的效果。     

基于空间机构学的Coude光路装调方法

库德光路光学元件多且空气间隔长，导致随着望远镜口径的增大装调难度急剧增加，因此将计算机辅助装调技术引入到Coude光路装调对准中。首先利用了机器人运动学方程的D-H表示法对库德全反射光路进行建模，然后根据光路误差来源讨论了蒙特卡洛模拟在Coude光路装调对准中的应用，通过分析各个镜面的影响权重，确定了系统装调顺序；最后，将蒙特卡洛法作为优化算法，得出了Coude光路装调后的理想结果。通过模拟仿真，证明了该方法可以将Coude光路靶面目标圆半径由5 mm下降到装调后的0.3 mm。结果表明:该方法简单、快速，而且精度高，对于全反射光路的装调是可行有效的。     

地平式望远镜跟踪机架结构设计与分析

针对某700 mm口径地平式望远镜系统,提出了一种U型跟踪架的结构设计方案。跟踪架结构中方位轴系采用双排密珠球轴承,轴承设计为双排轴向止推钢珠及双排径向钢珠结构,滚珠的密集及均化作用可保证轴系具有高回转精度。俯仰轴系设计采用一端固定、一端游动的结构方式,以补偿机械误差及热变形对回转精度的影响。对望远镜跟踪架进行有限元建模,分析得出其一阶谐振频率可达到47.6 Hz,说明它具有良好的模态特性。使用电子水平仪及自准直仪分别对方位轴及俯仰轴进行定量检测,方位轴轴系晃动优于1.3″,俯仰轴轴系晃动优于1.8″。通过仿真分析及实验测试,证明设计的望远镜跟踪架结构具有高刚度及高回转精度,为同类跟踪架的结构设计提供了一定的参考价值。     

基于力矩主动校正的反射镜支撑分析

基于力校正的主动支撑技术已广泛应用于光学镜面支撑,而基于力矩校正的方法目前还鲜有研究,为了深入探讨该课题,在传统力促动器主动支撑的基础上引入了基于力矩校正的反射镜主动支撑.首先,从镜面主动支撑原理出发,介绍了镜面面形主动校正的分类,着重对比分析了力校正和力矩校正的优缺点.进而,根据力矩主动校正的特点,利用在反射镜背部施加3组等效力矩的方法,对一块400 mm口径的轻量化反射镜进行了静力学分析与优化,拟合后镜面变形RMS值由原来的331 nm降为9.35 nm,优化率为97%.分析结果表明,基于力矩校正的主动支撑是有效的,同时为主动支撑的智能化及多样化提供了一种新的思路.     

大口径透镜混合柔性支撑结构优化设计

针对大口径透镜,提出了一种新型混合柔性支撑结构,能够使透镜同时满足面形精度及位置精度要求。首先利用卡氏第二定理对各柔性铰链进行分析,建立支撑组件整体柔度模型。然后以柔性支撑组件的总变形能为目标函数,以位置精度及实际使用空间要求为约束,建立结构优化设计模型。之后确定径向柔性支撑结构对组件整体柔度的敏感度最大并对其刚度进行验证。最后对优化后的透镜组件整体结构进行有限元分析,同时利用曲面拟合方法计算镜面面形精度。仿真结果表明,在该新型混合柔性支撑结构的作用下,透镜在各要求工况下的面形精度均优于λ/20 (λ=632.8 nm)。所设计的新型混合柔性支撑结构及其理论分析过程可为高精度大口径透镜的支撑技术提供参考。     

红外离轴系统金属反射镜设计与分析

随着单刃金刚石数控车削技术的不断提高,越来越多的红外系统选用金属作为反射镜材料以提高系统的性价比。同共轴光学系统相比,离轴光学系统的反射镜结构和装调更为复杂,为了深入研究金属反射镜在红外离轴系统中的应用,提出了一种集Kinematic定位和柔性去应力相结合的轻量化金属反射镜结构。首先从金属结构件的加工特点出发,分析了金属反射镜的轻量化形式和安装结构;接着针对某离轴反射系统中口径最大的离轴主镜,按照各设计要素建立了金属反射镜结构模型;最后采用有限元仿真分析方法,在各种工况下,对该主反射镜进行了详细的分析,结果均满足光学设计要求。