超高速摄影中蜂窝结构转镜性能分析

提出蜂窝结构的三面体转镜,对这种新型转镜做了结构设计,利用三维有限元计算技术,分析蜂窝结构三面体铝合金转镜的力学性能.结果表明,对镜面尺寸17.325 mm,轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×105 r/min下,镜面最大变形量为0.547 μm,是原结构铝合金转镜镜面的1/6.3,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级,内部最大应力小于原结构铝合金转镜.应用ZMAX软件分析铍合金转镜光学系统、铝合金转镜光学系统和蜂窝结构转镜光学系统的性能,发现蜂窝结构转镜镜面光学系统最大视场弥散斑半径仅有原转镜的0.205,对成像的像质影响大为减小.     

超高速摄影中铍转镜静力学与动力学性能分析

基于弹性力学空间问题基本方程、线性振动系统运动方程及有限元法,提出转镜力学特性的数值分析方法.运用该方法得出转镜镜面变形量、内部应力分布和振动模态参量的定量数值:在边缘线速度600m/s下,三面体铍转镜的最大变形量为约0.3346μm;最大应力0.204GPa,位于轴孔附近并与镜面距离最短处;两个在互相垂直平面内的一阶弯曲振动模态发生在3.4×105r/min附近,一阶扭振点位于5.13×105r/min附近,两个二阶弯曲振动点位于6.6×105r/min附近.结果表明,如制造无缺陷,由体力产生的静载荷不足以破坏镜体,对转镜产生较大破坏作用的是共振导致的疲劳破坏.     

大冲程低PV值的分立式微变形镜结构设计研究

针对微变形镜镜面残余应力变形问题，使用数值法分析了多晶硅层和金属层不等面积的双层微机械薄膜残余应力影响下的变形情况，得到了变形-金属膜尺寸的关系曲线，确定了特定应力下最佳的金属反射面大小；此外，还利用弹性系数可变的折叠梁对分立式微变形镜单元的静电力驱动进行了改进，有效地增大了分立式微变形镜的冲程，使其能对近红外光进行校正。     

弯月薄镜的切向侧支撑设计研究

针对主动光学系统中的φ620mm弯月薄镜设计了双向柔性侧支撑结构,从理论上分析了薄镜切向侧支撑方式的工作原理和支撑力的分布情况,并采用有限元法计算出望远镜指向水平时薄镜所受侧支撑力的大小和方向,验证了受力分析的正确性.通过有限元计算出不同俯仰角下,切向侧支撑方式和轴向主动支撑共同作用时薄镜校正前后的镜面面形的变化情况.当望远镜指向水平时,薄镜镜面变形最大,经过主动校正后的镜面面形误差RMS值为14.1nm,满足设计指标要求.     

组合转镜扫描光路分析

提出由中心转镜,旋转棱镜组和固定反射镜组构成的组合转镜光学系统。对组合转镜多方位条码扫描器的扫描原理以及扫描线的空间分布轨迹作了较详尽的分析,从而为扫描器设计提供了理论依据,给出了扫描实验曲线。     

适于PAL电视制式的激光扫描系统设计

讨论了适用于PAL电视制式的转镜-振镜结构激光扫描系统,计算了转镜的面数和转速、反射面长度间的关系.重点讨论了反射面的长度对入射光束直径的限制,以及转镜的面数对扫描画面曝光量的影响.结果表明,在面数为40,半径为40mm的情况下,光束直径最大不得超过0 81mm;转镜面数越多,画面曝光量越均匀.     

超高速摄影仪转镜模态数值仿真分析

采用有限元法对超高速摄影仪转镜系统进行数值仿真与模态测试,验证转镜模态数值分析方法的精度.利用数值分析法,提取转镜的前3阶模态,研究其对应振型与模态应力,发现其共振点主要集中在304.37 Hz、354.15 Hz和345.17 Hz处,且1阶弯曲模态应力远大于1阶扭转应力,轴肩位置是应力集中区.通过实验在线测得转镜在加速过程中的幅频响应曲线,发现转镜在固有3个频率点处振幅出现急剧变化,且在355 Hz处的振幅远大于其在297 Hz处的振幅.结果表明,1阶弯曲是转镜出现破坏的主要形式,轴的损伤是转镜出现疲劳破坏的主要原因.数值解和实验结果吻合较好,说明对转镜采用数值分析法提取其模态可获得较高精度.     

激光全息军用关键部件三维变形及应力测试

三维形变和三维应力测量一直是结构工程领域的重要研究课题。本文基于数字全息原理,设计了数字全息记录测试装置,实现了三维物体变形的测量;基于四个干涉图法和Matlab软件编程,提出并实现了数字相移,省去了压电位移器、位相控制器等硬件,简化了装置;基于数字全息测得的变形量与有限元理论,利用Ansys软件编程,获得变形物体的三维应力的大小及分布,从而实现了数字全息三维应力测试。大量实验表明,此方法实验装置简单、测量精度高,变形测量可容易达到1/10波长,应力测量精度可达到1.535×10^5Pa。     

深海热液采样阀耐高压塑料阀芯研究

为了维持深海采集的热液样品压力,提出了一种耐高压热液采样阀设计方案.针对阀芯在高压差下易发生塑性变形甚至断裂的问题,基于有限元模型仿真分析了不同结构的塑料阀芯应力分布,探讨了不同截面的应力变化情况.分析结果表明,O型圈沟槽尺寸和R2是影响阀芯应力分布的主要因素.实验研究了阀芯顶端的静态变形,阀芯变形的仿真结果与实验结果基本吻合,间接验证了应力分析的结果,表明使用优化结构阀芯的采样阀能够满足深海高压使用要求.     

螺栓装夹作用下空间光学摆镜变形研究

针对国家天文台研制的空间太阳望远镜上的光学摆镜在螺栓装夹预应力作用下引起的变形问题,利用Zernike多项式与光学镜面畸变的对应关系,引入弹性地基计算方法建立平板变形微分方程. 运用Moore-Penrose广义逆矩阵法, 求解出置于弹性平台上的摆镜在外载荷作用下产生的所有可能变形. 根据弹性力学最小势能原理引入变分法得到外力作用下的真实变形,直接得到Seidel像差系数.将该算法应用于一个带有3个支臂的摆镜模型,计算结果仅比用接触非线性有限元法的结果小10.7%,证明了该算法有效可行.     

大口径纹影系统主反射镜装调结构分析与设计

研制纹影测试系统中大口径主球面反射镜的装调结构.利用有限元法,对有效通光口径直径为800 mm的主镜进行应力和面变形分析.采用断裂几率预测法校核玻璃机械强度,通过优化得出反射镜面变形的均方根(rootmean square,RMS),以此为依据,设计出满足系统技术要求的主镜装调结构.     

磁致液面变形及其光学测量

为获取磁场中气液界面的特性参数,提出基于镜面反射成像与结构照明相结合的方法对磁致液面变形进行测量.根据图像映射和条纹灰度矩阵提取条纹图的相位差进行液面变形量的计算,并重建三维变形液面.得到了结论:液体表面附近处的梯度磁场将引起表面张力的不均匀而使其发生变形,变形量及方向与磁场强度和梯度的空间分布有直接关系,为浮力-热毛细对流的相关研究提供一种新的途径.     

基于ISIGHT平台的大型空间望远镜主镜主动光学系统研究

为了实现大型空间望远镜的高成像质量,建立了主镜主动光学系统模型。对主镜面形校正的算法、主镜面形校正的精度以及主镜面形校正能力等进行研究。首先,对主镜面形校正的算法进行研究。对主镜的镜体结构和支撑方案进行设计,建立了主镜有限元模型。构造了单位主动力矩阵和主镜面形响应矩阵。采用广义逆矩阵法求得了主镜面形校正矩阵。接着,采用多学科分析平台Isight建立主镜面形校正精度模型,以慧差为例,分析了主镜面形校正的准确性。最后,采用Isight平台建立了主镜面形校正能力分析模型,以低阶像散为例,分析了在促动器最大调整力为100N时,主镜面形的校正能力。分析结果表明：主镜慧差的校正精度为4%;力促动器能校正0.467个波长的像散。主镜面形校正算法及模型基本准确,可用来进行主镜面形校正。     

一种大功率激光加工用带式积分镜的设计

介绍了一种新型大功率激光加工用光束带式积分镜的设计原理和实验结果. 根据几何光学原理,采用多条带式曲面代替通常反射镜的回转曲面,形成带式积分镜. 试验结果表明:激光光束经聚焦后,获得光强均匀分布的矩形光带,改善了激光热处理、淬火、熔敷和喷粉焊接等的激光加工质量.     

Optimum design of lightweight silicon carbide mirror assembly

According to the design requirement and on the basis of the principle that the thermal expansion coefficient of the support structure should match with that of the mirror, a lightweight silicon carbide primary mirror assembly was designed. Finite element analysis combined with the parameter-optimized method was used during the design. Lightweight cell and rigid rib structure were used for the mirror assembly. The static, dynamic and thermal properties of the primary mirror assembly were analyzed. It is shown that after optimization, the lightweight ratio of the silicon carbide mirror is 52.5%, and the rigidity of the silicon carbide structure is high enough to support the required mirror. When temperature changes, the deformation of the mirror surface is in proportion to the temperature difference.     

望远镜主镜支撑中粘接连接的热应力研究

支撑与镜面的连接是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,连接的好坏直接影响望远镜的成像质量。相比机械紧固方式,粘接连接具有重量轻、成本低、易于装配等优点,常被用来作为支撑和主镜的连接方式。但由于粘接连接中镜子和粘接层的材料不同,在温度变化时,会引起较大的热应力,从而影响主镜的面形质量,因此对粘接链接中的热应力也需要进行研究。为此本文使用有限元方法对粘接层的热应力进行了系统研究,采用了MMT望远镜的支撑结构形式,通过计算镜子表面热应力分布情况,找到热应力最大值,并研究了几何因素、粘接层厚度和粘接层模量对热应力最大值的影响。     

空间遥感器反射镜组件的设计与有限元分析

针对某空间遥感器反射镜的设计指标要求,分析并优化了反射镜的支撑形式和结构参数,得到了质量为23.7kg,轻量化率达到76.2%的反射镜结构。在反射镜基本构型确定的基础上,设计了镜体的支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了反射镜结构系统的动静态刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元软件ABAQUS对反射镜组件进行了精确有限元分析,分析结果表明,在1g重力作用下反射镜的面形精度RMS达到3.66nm,在4℃均匀温升载荷作用下反射镜的面形精度RMS达到4.16nm,在1g重力和4℃均匀温升载荷耦合作用下反射镜的面形精度RMS达到5.51nm,反射镜组件的一阶固有频率为137.51Hz。得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求。     

空间相机反射镜支撑结构的设计与分析

利用有限元法对反射镜组件在自重和均匀温升作用下的面形精度进行了计算,分析结果预示最初的模型不能满足设计要求.为了提高反射镜的面形精度,把增加支撑结构的柔性作为修改方向,经过计算确定柔性结构设计变量L为3mm时的结构方案能够满足反射镜的面形精度要求.同时为了校核这个结构的强度和刚度,对工为3mm时的结构进行了模态分析和在预示载荷作用下的频率响应分析和准静态分析,结果表明,该方案完全能够满足整个结构的刚度和强度设计要求,从而为空间相机的设计提供了有利依据,同样为其他空间相机反射镜支撑的设计提供了参考.     

粘结连接在望远镜主镜支撑中应力分散作用研究

支撑与镜面的连接是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,连接的好坏直接影响望远镜的成像质量。相比于机械紧固方式,粘结连接具有重量轻、成本低、易于装配等优点,常被用来作为支撑和主镜的连接方式。而硅橡胶粘结剂在固化后模量较低,因此硅橡胶粘结层还具有分散应力的作用。过去对主镜粘结研究主要集中在粘结强度方面,而对其他性能研究较少。本文使用有限元方法对粘结层的力分散作用进行了系统研究,借鉴了MMT望远镜的分析方法,通过计算应力分散因子PCF来评价粘结层的应力分散能力,并分析了粘结层模量、厚度等对力分散作用的影响。