Bipod柔性结构在小型反射镜支撑中的应用

设计了一种由3组Bipod组成的柔性支撑结构,用于提高在实际工作条件下小型反射镜的面形精度。首先,利用伴随变换建立了Bipod及由其组成的支撑结构的柔度矩阵;利用MATLAB优化Bipod的结构参数,以满足径向刚度最小时轴向刚度最大的要求。然后,对优化后的支撑结构施加力和热载荷进行了仿真验证。最后,利用zygo干涉仪验证该支撑结构的热稳定性。结果表明,Bipod柔性支撑结构在保证反射镜良好热稳定性的同时,可以有效降低外界动态载荷对反射镜的影响;不仅具有良好的动态特性,且能在力热耦合载荷下保持较好的面形。分析显示其1阶固有频率达到1 781.7Hz,与理论计算相比,相对误差约为1%。     

空间相机1 m口径反射镜组件结构设计

针对1 m口径空间相机反射镜的设计要求,提出了一种新的反射镜柔性支撑结构.以材料选择、径厚比、支撑点数量和位置、轻量化结构形式等为设计变量,以自重作用下反射镜面形精度rms值为目标函数,优化设计了一种背部开口、三角形轻量化孔、背部三点支撑的SiC空间反射镜结构,同时提出了一种反射镜柔性支撑结构.对反射镜在光轴水平状态下进行装调检测时影响反射镜面形精度的柔性支撑结构参数进行了灵敏度分析,找到了影响反射镜面形精度的结构参数.对反射镜组件动、静态特性和热特性进行了有限元分析,分析结果表明,光轴水平方向重力载荷作用下反射镜面形精度rms达到5.6nm,4℃均匀温升工况下反射镜面形rms为2.7 nm,反射镜组件一阶固有频率为192Hz.最后,进行了反射镜组件的动力学测试试验,测得反射镜组件一阶固有频率为197 Hz,最大响应应力为181MPa,验证了有限元分析的准确性.得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求.     

临近空间816mm口径望远镜复合支撑主镜组件设计

针对某临近空间望远镜高面形精度和0°~65°观测角度的要求,设计了816 mm口径的SiC主镜组件。依据经验公式和拓扑优化方法,完成了主镜的设计,基于大口径反射镜复合支撑原理、功能分配和指标分配以及解耦标准设计了主镜支撑组件,最后根据支撑结构形式和装配公差要求设计了主镜组件装配工装并制定了装配工艺流程。对主镜组件进行了静力学和动力学仿真验证,然后对主镜组件进行振动、面形检测和倾角等试验验证。试验结果表明,主镜组件在光轴水平,1 g重力作用下面形精度RMS值为0.019λ(λ=632.8 nm),反射镜翻转180°后的面形RMS为0.02λ;总质量为102.7 kg,基频为171 Hz,振动前后RMS值基本不变,与分析结果吻合。证明该主镜组件的设计与装调工艺的合理性,满足临近空间望远镜的设计要求。     

反射镜柔性支撑结构的模态参数分析

为解决全面、准确地检测反射镜柔性支撑结构的柔度参数的问题,将参数辨识技术应用到柔度测试领域中。开展了在频域中基于模态参数辨识理论分析柔性支撑结构柔度参数的分析。首先,对于串联弹簧-质量-阻尼系统的传递函数及其性质进行了推导,建立了一种对于串联模型端部子系统参数进行辨识的方法;然后,利用计算机进行了数值仿真,以验证上述理论推导的准确性;最后,针对某小型反射镜的柔性支撑结构Bipod进行了实验验证。实验结果表明,该测试方法与传统的测量方法相比误差小于5%,证明了该方法的可行性,对其他柔性部件的检测分析都有较好的指导意义。     

长条形空间反射镜及其支撑结构设计

提出了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足反射镜在重力和温变载荷下对较高面形精度的要求.根据光学设计指标要求确定了反射镜的结构形式,根据该结构形式设计了柔性支撑结构,并利用有限元分析软件对反射镜组件进行了分析和结构优化.分析结果表明.反射镜组件的一阶固有频率达到179 Hz,在X,Y,Z3轴方向,1 g重力作用下的镜面面...     

空间光学遥感器反射镜柔性支撑的设计

为降低光学遥感器反射镜在复杂且恶劣的空间环境下的面形误差,设计了一种柔性支撑结构,使反射镜在具有良好的热尺寸稳定性的同时结构刚度满足力学要求。针对某长圆形光学反射镜组件,通过设置柔性铰链的厚度、最薄处厚度和柔性铰链圆弧半径3个特征参数,对柔性铰链进行合理的结构设计。采用有限元法对反射镜组件在力热耦合状态下的面形精度和结构强度及结构的动态刚度进行仿真分析,结果表明,反射镜面形PV值由350.08nm降至59.03nm,RMS值由102.67nm降至9.11nm,柔性结构保证了反射镜的热尺寸稳定性,同时满足力学要求。最后,对反射镜组件的力热模拟件进行力学试验,得到的结果显示其3个方向的基频分别达到264Hz,290Hz和320Hz。这些结果表明,该柔性支撑结构设计方案是合理可行的。     

CO_2探测仪反射镜组件设计

为了降低重力、力学试验、发射条件以及因材料线胀系数差异导致的热变形对CO_2探测仪反射镜面形产生的影响,从反射镜组件材料选择、结构设计和配合方式几个方面进行了分析。采用SiC材料制作反射镜,结合反射镜的环形支撑方式,通过有限元分析对镜体进行轻量化设计。选取线胀系数较小的殷钢材料,利用三角形结构的稳定性和双脚架柔性结构的灵活性设计出简易可靠的反射镜支撑结构。反射镜与支撑结构接触面为1∶50的锥度面,通过环氧树脂进行胶接。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密加工和装配。对反射镜组件进行力学试验测试,结果表明在X向、Y向、Z向的一阶频率分别为445,423和444 Hz,与有限元分析结果接近。试验后镜面面形变化量PV值小于1/10λ,RMS值小于1/30(λ=632.8nm)。证明了CO_2探测仪反射镜组件结构设计与装调的合理性,满足空间高光谱成像要求。     

大口径空间反射镜大容差支撑结构设计与优化

针对传统反射镜无法消除加工及装配应力,长期使用后面形精度下降不能满足使用要求的问题,提出了一种高稳定性空间反射镜支撑结构的解决方案,进行了具有大容差特性的1.5m口径高精度空间反射镜工程化研究和创制。依据经验和理论,完成了初始反射镜组件构型,反射镜的材料选用RB-SiC,采用三角形背部半开口反射镜轻量化形式和背部三点膜片型柔性支撑结构。以装配误差0.01mm的9种工况下反射镜的面形RMS变化量最小为目标,利用isight软件对反射镜支撑结构的主要尺寸进行了优化设计。最终完成了轻量化率为82.1%,组件质量为170.23kg的反射镜的研制。试验结果表明:反射镜在1 g重力作用下,面形精度RMS优于0.016λ(λ=632.8nm);加入0.02mm强迫位移模拟装配误差,面形RMS仍然为0.016λ;在20℃±5℃温变环境下,面形RMS变化量在0.002λ范围内;组件一阶固有频率为101.3Hz。反射镜组件静态刚度、动态刚度、面形精度以及环境适应性满足空间工程应用要求。     

圆形反射镜无隙支撑方法的应用

针对空间光学遥感器圆形反射镜在安装过程中会由于采用间隙配合胶接方法在温度变化时产生非对称应力从而引起非对称像差(主要表现为像散),以及使用的胶层为非线性材料使反射镜面形变化不可逆从而降低结构可靠性等问题,提出了基于过盈配合的无隙支撑方法。该方法依据最小势能原理,使用柔性块以过盈配合的方式固定反射镜。采取线性搜索方法分析得到了适当的过盈量(0.03 mm),利用有限元方法模拟实际工况,得到镜面面形变化情况。对反射镜组件进行温度循环试验,并利用干涉仪对反射镜进行检测。试验显示,温度变化±4℃时,镜面面形RMS值最大为0.018λ,符合设计要求(RMS值≤0.02λ),干涉图表明反射镜受力均匀、无像散;在温度循环试验中,反射镜面形变化可逆。这些结果表明,对于圆反射镜,采用无隙支撑方法能够很好地解决温度变化对镜面面形的不利影响。     

中型主镜的柔性半运动学支撑

针对中型反射镜提出了一种柔性半运动学支撑方式,以便简化主镜的支撑结构,降低安装应力对主镜的影响,以及提高主镜支撑对温度变化的适应性。对比小口径主镜的刚性半运动学支撑,详细阐述了柔性半运动学支撑的特点和优势。运用该原理对一口径为710mm的主反射镜的支撑进行了设计、分析、和检测,其中反射镜的轴向采用6点带有柔性细杆的Whiffletree支撑,径向采用带有柔性环的中心轴支撑。然后,利用有限元方法进行了详细的结构优化设计。最后,利用4D干涉仪对主镜竖直和水平两个工况进行了检测。检测结果显示:反射镜的支撑面形与加工面形误差分别为8.7nm和8.4nm,与有限元分析结果基本吻合,验证了文中有限元建模和分析方法的合理性。提出的柔性半运动学支撑很好地保证了主镜面形精度,综合性能良好,达到了设计预期,为中型主镜的支撑设计提供了重要的参考。     

1.2m微晶主镜的新型支撑

针对1.2m微晶主镜,提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案,用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。分析了该机构的工作原理,实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度,并具有热解耦能力;有限元分析确认系统具有良好的支撑性能;面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25nm,光轴水平面形精度RMS为20.75nm,模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度,分析结果与实测结果符合度较好,主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%,一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性,支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

展开式反射镜单元镜支撑技术

基于展开镜结构工作原理,运用有限元方法分析了展开式反射镜单元的裸镜及其支撑方案.目的是确定镜子支撑点数量及排布方式,并具体分析了12-6-1、12-8-1和16-8-1型三种支撑点排布方式,分别计算了各支撑点排布方式下的镜面自重变形.计算结果表明,采用16-8-1型的排布方式较为合理.支撑结构的优化设计是在裸镜支撑点优化位置加入支撑组件综合分析镜坯与支撑组件,以镜面面形误差及结构总体刚度为目标函数,考查、修改支撑组件以保证镜面RMS值在可调节范围(30μm)内.计算带有支撑组件的单元反射镜在自重作用下的变形,得出的镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm),表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性.并提高整个反射镜面的面形质量.     

快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。     

新型薄膜反射镜的有限元分析

薄膜反射镜是实现大口径、低面密度空间光学系统的最新方向之一,材料采用柔性薄膜,具有重量超轻、体积小的特点.由于薄膜反射镜的挠度特性,利用传统的方法来获得面形的变化很困难.介绍薄膜反射镜的成形原理,建立符合实际情况的有限元模型,通过施加一定的边界条件,对薄膜反射镜进行非线性分析,得到一系列的挠度值,并和理论值进行比较分析,最大误差为0.07%.所得到的结论对于进一步研究反射镜成形和面形控制,以及薄膜厚度的选择具有一定的指导意义.＃     

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。     

1.3 m主镜的支承设计

依据1.3 m主镜支承的技术要求,完成了支承结构的设计分析。确定了有中心定位的底面18点支承和侧面水银带支承的技术方案。对于结构复杂的轻质镜,依据均衡原理,利用结构分析并结合插值算法确定了底支承18点的支承位置;在给出了具体底支承结构设计后,对底支承的结构变形和结构设计允差进行了分析。根据主镜立放状态下的受力分析,给出了3个水银带侧支承的设计变量,最终依据镜面Z向变形最小的原则和12种工况下有限元的分析结果,确定了水银带侧支承的设计。在中心定位设计中,考虑到温度变化的影响,选用了特殊的殷钢材料。在具体结构设计中,为减小支承球头与主镜直接接触的不利影响,在支承球头和主镜之间增加了过渡轴套。用Zygo干涉仪检测了装配完成后的主镜,主镜镜面变形PV值为0.7 λ,RMS值为0.15 λ。该支承结构基本满足了设计要求,且结构稳定可靠。分析可知,主镜的厚度可以再适当减薄,进一步减轻重量。     

光学玻璃离心熔铸过程中成型热历史对反射镜的影响

为了研究离心熔铸反射镜制造技术中热历史状态(成型温度及冷却速度)对成型效果的影响,采用有限元分析软件Abaqus对不同的成型温度及冷却速率进行仿真分析,确定成型温度为950℃、冷却速率为1℃/s时可以完成反射镜在模具中的充模和成型;之后进行离心熔铸试验并对成型结果进行测量。在冷却速度大于1℃/s时,反射镜由于冷却后局部残余应力过大,导致其发生碎裂。同时通过对仿真结果、理论计算结果以及试验结果的分析对比,得到反射镜边缘的轴向高度与理论值相差10.12 mm,具有较大的面型误差,产生面型误差的原因是由于在高温成型冷却后反射镜体积收缩导致面型发生变化。