大容差多柔性透镜组结构优化设计

为使透镜的面形精度在复杂工作环境下满足光学系统要求,利用CAE设计了多透镜组镜头的透镜柔性支座结构,并对其几何位置进行参数优化.首先,通过对比透镜支撑结构常用材料和加工制作工艺,选取透镜支座材料,根据光学设计结果采用定心车加工工艺保证光轴的直线度;然后,选取一适合柔性结构形式并根据其中心对称特点初步设计柔性支座;最后,将柔性结构几何位置进行参数化,并利用集成优化方法优化柔性支座结构形式.实验结果表明:单透镜组件在3个方向自重变形下及-10～50℃工况下的面形误差(RMS值)均优于λ/50;镜头组件和单透镜组件的一阶谐振频率不小于120 Hz.实验验证了镜头可同时在大温差、高频振动的环境下,满足镜头设计要求,结构稳定可靠.     

地平式望远镜像旋问题研究及消旋K镜设计

针对2m地平式望远镜系统的视场旋转问题,设计了K镜消旋方案。首先,通过对地平式望远镜物方视场旋转及像方视场旋转的分析,给出了K镜组件的消旋速度。其次,对K镜结构进行了详细方案设计,K镜子反射镜采用三点柔性支撑方式,避免在K镜装调过程中对反射镜面形精度产生影响。最后,通过仿真分析,K镜支撑结构具有较好的动态刚度,仿真实验中将柔性支撑与非柔性支撑结构进行对比,结果表明柔性支撑结构可以明显降低温度变化对K镜子反射镜面形精度的影响。     

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.     

多工况下经纬仪基座拓扑优化设计

基座刚度对经纬仪垂直轴系晃动误差影响较大,垂直轴系晃动误差同时影响水平轴系误差以及光轴指向误差,进而影响经纬仪跟踪精度。经纬仪在跟踪过程中转台在基座上连续转动,光学系统的质量经过立柱传递到基座上的载荷位置不断变化,现有的圆周对称基座结构在三点支撑条件下,因为变形不均匀造成垂直轴系晃动误差较大。采用拓扑优化方法中的固体各向同性材料惩罚模型方法(SIMP),得到基座在综合考虑多种工况情况下的材料最佳分布。仿真分析对比现有基座结构和优化的基座结构的重量和最大轴向变形。拓扑优化产生的材料分布可以指导基座优化设计,改善极端工况下变形不一致情况,降低经纬仪垂直轴系晃动误差。     

一种空间遥感器反射镜柔性支撑结构

设计了刚度高、热适应强的反射镜柔性支撑结构。通过有限元模型分析,该支撑结构中的反射镜在±10℃的环境温度变化下,其反射镜面形精度RMS值达到1/50λ(λ=632.8nm)。     

正六边形反射镜支撑结构设计

研究了正六边形主镜的支撑结构组件,对主镜组件进行了材料选择、结构形式与尺寸参数设计、仿真分析和试验验证。首先,针对使用要求,对主镜进行了材料选择,确定主镜材料为微晶玻璃,并进行了轻量化设计,对边320 mm的正六边形主镜最终重量约为7 kg,轻量化率为57%;其次,确定主镜支撑采取背部三点的支撑方式,支撑点分布圆为?184 mm,对支撑组件中的镶嵌件、柔节和支撑背板进行了材料选择,并给出了组件的装配工艺,采取正交试验和有限元仿真相结合的研究方法对支撑组件中的柔节进行了优化设计,给出了柔节优化后的尺寸参数,分析结果表明:在1 g、-2℃工况及1 g、2℃工况下因结构支撑引入的面形误差分别为3.9 nm RMS和5.2 nm RMS,能够满足光学指标要求;最后,对组件进行了实物试验,试验结果表明:在室温18℃下检测其面形精度RMS为0.018 9λ(λ=632.8 nm),在室温20℃下检测其面形精度RMS为0.019 6λ,获得了比较好的面形精度,验证了结构设计的合理性,具备良好的性能,满足系统使用要求。     

望远镜主镜柔性侧支撑机构设计研究

侧支撑是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,侧支撑机构具有结构复杂、精密性高、运动量微小、无污染等特点,其性能优劣直接影响望远镜的成像质量甚至主镜自身安全。相比于传统机械式铰链机构,柔性结构具有体积小、无摩擦、无间隙以及无需润滑等优点,更加适用于大型望远镜主镜侧支撑机构。本文通过对柔性结构柔度矩阵的分析,利用等效弹性模量方法降低柔性结构设计及分析难度;针对一种基于运动学平衡原理的柔性侧支撑方式,通过等效弹性模量方法优化柔性结构尺寸,以满足大型望远镜主镜对于侧支撑机构的面形精度、定位精度、热匹配能力、固有频率的技术要求。     

高面形精度标准镜自重变形的补偿技术

为了提高光学检测精度,完善标准镜装配工艺,针对采用胶粘法装配的镜片提出了两种补偿镜片自重变形的方法,即通过改变胶层位置补偿镜片自重变形的方法和通过施加作用力改变镜框形变量补偿镜片自重变形的方法。通过理论计算、建模仿真与光学检测的手段验证不同工况下自重变形对于面形精度的影响。给出了镜片面形与胶层位置、作用力的对应关系,镜片经过补偿可以达到很高的面形精度,明显优于普通胶粘法,实验对象在补偿前的面形精度为4.511nm,补偿后面形精度达到2.134nm,保证了标准镜的高面形精度。     

基于ANSYS Workbench的人造花岗岩复合材料磨床床身瞬态热应力分析

为了探究人造花岗岩复合材料的瞬态热应力和热变形,利用三维设计软件和有限元软件协同仿真的方法,建立人造花岗岩复合材料磨床床身模型,对床身施加边界载荷来模拟床身的实际运行环境,从而获得床身的瞬态温度场。在此基础上,对床身施加外部约束载荷,进而获取床身的瞬态热变形、热应力。根据床身热变形及温度场分布情况,提出了降低床身热变形的方法。     

一种基于有限元分析的柔性支撑结构设计

为了满足反射镜较高的面形精度要求,提出了一种基于有限元分析的柔性支撑结构.首先根据反射镜的设计要求确定柔性支撑的结构形式,然后利用有限元分析软件对反射镜组件进行网格划分并提交运算.分析结果表明,当柔性支撑中镶嵌件膜片厚度为1.5mm、柔性杆十字槽厚度为4mm时,反射镜组件的一阶谐振频率达到206Hz,在1g重力作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到2.5nm、4.4m、25.3nm,在1g量力和4℃温升共同作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到15.2nm、17.7nm、28.5nm,各项指标均满足设计要求.动力学响应分析表明,柔性支撑具有较强的抗振能力.     

空间光学遥感器反射镜柔性调节结构设计

针对空间光学遥感器圆形反射镜结构刚度高、热尺寸稳定性差的状况,设计了一种温升变形柔性调节结构,旨在保持结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性.对柔性结构进行了合理的结构设计,对其力学模型及铰链参数进行分析,并对反射镜组件进行有限元仿真.结果表明:在柔性结构的调节作用下,反射镜在力和热两种环境约束工况下,面形PV值均远小于63.2 nm,满足成像质量要求.证明这种柔性调节结构在实际结构设计中是合理可行的.     

薄膜加载变形的有限元数值优化反演求解

薄膜加载变形的反演求解问题是薄膜反射镜成形控制的核心问题.为了实现薄膜面形的高精度控制,给出了柔性圆薄膜由平面变为特定矢高的理想抛物面所需离散均布栽荷的算法,并建立了有限元数值优化反演求解模型.通过300mm口径、25um厚的聚酰亚胺薄膜算例求解,分析了边界预张力、优化栽荷对薄膜面形精度和中心变形量的控制规律,为大变形薄膜反射镜面形控制提供了依据.     

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.     

中心支撑式铝合金反射镜组件优化设计

为了满足光学系统在复杂环境下具备高成像质量的要求,结合有限元手段和优化方法,设计了一种具有柔性环节的中心支撑反射镜组件结构。首先,从反射镜组件的材料选取入手,结合反射镜组件结构包络要求及理论计算结果,完成反射镜组件初始结构设计;其次,利用有限元方法,对反射镜组件模态和面形精度展开研究;最后,利用优化方法,以反射镜组件柔性槽尺寸及反射镜背部支撑厚度为设计变量,以反射镜组件一阶频率和镜面面形为优化目标,对反射镜组件初始结构进行优化设计。结果表明:优化后反射镜镜组件一阶频率为230.1 Hz;多工况下,反射镜反射面面形优于1/55λ(λ=632.8 nm),满足结构设计要求,可为成像光学系统反射镜结构设计提供参考。     

灵巧型梁预测变形的一种高精度方法

目的是开发一种有效的方法简单而准确地检测挠性结构的变形,以承受未知横向载荷的梁为研究模型,将梁均匀分割成若干单元,在每个单元中心布上应变片,按Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁变形假设,引入有限元基本原理,推导了一种能够仅仅依据应变片的读数即可求解梁的变形的计算方法,理论和实验都证明了这一方法的可行性和准确性,该方法能够很容易地掖去预测其它复杂结构的变形。     

刚-柔耦合机械臂动力学建模及其振动抑制研究

根据假设模态法,对刚-柔耦合机械臂系统进行运动学分析;基于Lagrange方程,建立刚-柔耦合机械臂系统的动力学模型;采用滑膜变结构控制方法对刚-柔性机械臂的振动控制进行仿真研究.结果表明:一阶模态下的动力学模型即可满足刚-柔性机械臂系统的精度要求,滑模变结构控制能够有效地减缓柔性末端的振动,提高机械臂系统的动力学性能和精度.     

基于有限元分析柔性织物键盘开关的疲劳性能

为探索柔性织物键盘开关的疲劳性能,依据其组织结构,使用Pro/E 5.0建立了柔性织物键盘开关的几何模型,结合实际的材料属性,利用ANSYS Workbench 15.0的静态结构模块对柔性织物键盘开关的疲劳寿命进行模拟仿真,得出柔性织物键盘开关在疲劳损伤过程中的受力分布及疲劳性能,并使用复合材料精密寿命测试仪测试柔性织物键盘开关试样的寿命,对仿真结果进行实验验证.结果表明:柔性织物键盘开关的疲劳损伤主要出现在经纱中心区域,有限元模拟得到的寿命为37 927次,而实验测试得到的最佳寿命为30 000次左右,两者具有较好的一致性,从而验证了本文模型的有效性,可为柔性织物键盘开关的改进和应用提供指导.     

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。     

静电无阀微泵两种仿真模型的比较研究

为提高无阀微泵性能,分别采用全耦合模型(FCM)和预先定义泵膜位移的模型(PDM)对基于扩散/收缩单元的静电无阀微泵的动态特性进行计算仿真.对泵膜变形形状、泵膜中点位移、泵腔内压力以及进出口处流量等的变化历程进行比较.结果表明:PDM模型计算费用较低,但无法以较高精度近似泵膜变形的动态特性,进而导致错误的瞬态流场结果.要准确仿真微泵的动态特性,必须考虑电-结构-流场之间的相互作用.     

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。