古“源-汇”系统沉积学问题及基本研究方法简述

盆-山动力学、地表过程及沉积物收支研究一直是地球科学领域的研究前沿之一。“源-汇”系统则是以沉积物路径系统将三者有机结合起来,使其成为一个完整的剥蚀-沉积体系。随着近年来研究手段和理论认识的不断发展,“源-汇”系统定量研究逐渐由现代、第四纪向深时方向发展。由于古“源-汇”在后期受到不同程度的改造,所保存的地质信息并不完整。在系统总结其内部要素中几个重要沉积学问题的基础上,分析结果表明源区和汇区的古地貌、古水系及古环境定量重建和精细表征是古“源-汇”系统研究的首要前提。碎屑矿物定量示踪、地貌比例关系以及物质平衡分析是明确古代“源-汇”系统发育特征及其过程的重要方法,为建立新的“源-汇”模型和深入了解地貌演化、沉积历史、有利储层预测具有关键性作用。     

基于结构函数的大口径望远镜中频误差分配研究

为了更好地对于大口径望远镜中频误差进行评价与分配,本文引入了结构函数来进行研究。本文首先对于结构函数的基本性质进行了推导,并与传统的误差均方根(RMS)进行比较,表明了其表征不同尺度误差的能力。之后分析了系统波前在不同的评价尺度下的统计特性差异,得出在较小尺度下,系统的误差分布可以较好的服从正态分布,而随着尺度的增加(如大于100mm)会逐渐偏离正态分布的结论。然后根据结构函数的基本性质,提出了一种可以同时考虑诸多误差源的大口径望远镜中频误差分配方法。结合美国三十米望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(normalized Point Source Sensitivity,PSSn),建立起了由结构函数到标准化点源敏感性的换算关系,通过此方法来进行误差分配指标间的交叉验证以及与其他单元技术之间的对接。最后,根据本文所提出的方法,对于某大口径望远镜的主镜系统进行了误差分配,得到在大尺度均方根为25nm,粗糙度为1nm,中频尺度为250mm,大气相干长度为0.4m(检测环境)的要求下,该系统的结构函数满足要求,同时由要求结构函数所计算得到的PSSn=0.999 6大于由镜面数据直接得到的PSSn=0.999 5,同样满足要求。     

大口径光学系统的镜面视宁度检测

为了保证大口径光学镜面加工检测的质量和效率,提出了提高大口径光学系统镜面视宁度检测精度的方法。利用电子自准直仪以及平面镜确定波前斜率,推导了基于斜率信息与镜面视宁度之间的关系。为了提高测量精度,突破单台自准直仪精度限制,采用三台自准直仪进行互标校。为了进一步降低误差,使用六自由度平台支撑立方反射体,使精度提高至0.01″量级。另外,结合频响函数的相关理论,估计得到了六自由度平台在检测环境下所引入的误差。最后,引入标准化点源敏感性(PSSn)对结果进行评价,并开展了数值仿真实验。针对模拟镜面视宁度,分别计算两个方向的斜率功率谱以及原始波前功率谱,然后利用之前给出的功率谱与PSSn之间的关系得到了两个方向的PSSn均为0.999。该镜面视宁度测量方法可以在模拟望远镜实际工况下,完成对于系统主镜视宁度的定量预测。     

引力波探测望远镜超低热变形桁架支撑结构设计技术

本文针对引力波探测望远镜超低热变形要求,提出了通过设计CFRP铺层改变材料热胀系数的方法,进而解决桁架支撑结构热变形问题。同时针对望远镜装调性能的要求,给出了结构的分段式设计方案。文章首先分析了CFRP的优势、现有的消热化的方式和国内外研究进展,确定了以CFRP为关键材料的三杆式望远镜的方案,并提出了设计指标。其次建立了“材料-热变形、桁架结构-热变形”数学模型,针对材料铺层和结构设计进行优化,给出了优化方案。然后将CFRP材料应用于支撑结构中,采用分段式主支撑结构设计方案,降低了结构加工装调的难度,最后对整体结构进行分析。分析结果表明：机械性能方面,结构基频和最大重力卸载变形满足主支撑结构的要求;热变形方面,基于CFRP铺层特定优化设计的结构方案热变形为普通铺层方案的27.15%、Invar材料支杆方案的6.42%、SiC支杆方案的11.50%和钛合金支杆方案的3.21%,即优化设计可显著降低结构热变形。     

TMT三镜系统中Stewart平台的优化设计

为了使TMT三镜系统具有跟踪瞄准功能,同时可以校正由于重力引起的结构变形,设计一个大型的Stewart平台来完成三镜的Tilt调整。根据初始参数对并联机构进行了位置反解的计算,并分别对支腿轴向力和刚度进行了建模,最后使用了Matlab进行优化计算,得出一组最优解。根据所求出的最优解使用ANSYS建立了三镜系统的参数化模型,并与Matlab联合仿真,对三镜系统的各个工况进行了有限元模拟。仿真得到三镜各个工作位置时的支腿的伸长量、重力下的变形、第一阶模态值以及六根支腿内力。模拟结果显示,最终设计的Stewart平台支腿的最大变形量为0.813 mm,与优化前的模型相比下降了20%;第一阶模态最小值为16.7 Hz,与优化前的模型相比上升了18%;六根支腿的轴向力最大值为27 219 N,相比优化前下降了15.9%。     

GSSMP转动精度的测量与标定

为了更好地实现巨型可控科学反射镜原理演示验证平台（Giant Steerable Science Mirror Prototype,GSSMP）的指向功能,需要对GSSMP的转动精度进行测量与标定,利用激光跟踪仪对转台编码器进行标校,并通过激光跟踪仪完成角度测量。首先,基于角度测量原理进行了接触式测量和非接触式测量方式的单点精度标校,得到测量误差分别为23.7与0.71。通过公式推导验证,四个角反射器的使用能够消除6以及6的倍数谐波之外所有阶数的谐波,从而提高测量精度。最后,比较四个角反射器两种不同的排布方式的角度测量误差,得出均匀分布的误差为11.5,非均匀分布误差为9.04,而单个角反射器测量误差为23.7。通过激光跟踪仪对望远镜方位轴转动精度的测量,验证了所述理论的正确性与方法的可行性。研究结果对于30 m望远镜的工作进一步完成有着重要的意义,同时对于类似的转台精度的检测也有一定的指导意义。     

谐波分析方法在提高精密转台回转精度中的应用

为了提高某精密转台的测角精度和改进结构设计,对其方位轴系角位置测量精度进行了检测,该误差包括轴系误差、编码器误差及其他误差项。在数据处理中,采用傅里叶谐波分析方法,用不同阶次的简谐波进行拟合,去掉低阶误差,可提高位置测量精度,同时分析了各误差的来源。建立的误差查询表格可用于对后期测量结果的修正。结果证明,角位置测量误差修正后的值是修正前的1/4左右,幅值不超过0.8,极大地提高了角位置测量精度。此实验研究了使用谐波分析来提高转台位置测量精度的方法;同时分析了各误差来源,便于采取相应措施对轴系进行改进。     

TMT三镜面形评价过程

TMT 望远镜是一台R-C 式的30m口径光学红外望远镜,其三镜为椭圆形平面镜,口径为3.594m2.568m,质量达到1.8 t。三镜系统需要把来自于次镜的光折转到望远镜两侧奈氏平台的科学仪器上,具有跟踪和快速定向功能,因此三镜位置也是三轴正交运动的结果。三镜支撑系统必须能够在多工况、变载荷的条件下有效保证镜面的面形精度,所以依据TMT 项目组要求面形结果需优于1/5波长(=632.5 nm) 或者斜率均方根小于1 rad。以三镜支撑的一种方案为例详细阐述了TMT 三镜面形评价的过程。这一方案中底支撑采用18 点whiffletree 结构形式,侧支撑采用8 点A-frame 结构形式。首先通过ANSYS 建模仿真,然后使用MATLAB 进行数据后期处理,依次去除结果中包含的刚体位移项、离焦和像散等,最后使用9 个子孔径来拼接归一化的三镜,同时计算每一个子孔径的斜率均方根。这一数据处理方法有别于以往圆形主镜镜面评价的过程,但适合对TMT 三镜椭圆镜面面形评价,且在光学系统中斜率均方根比均方根在镜面面形评价上更有意义。对于大口径反射镜镜面面型评价具有重要的指导意义。     

预紧式八翼梁次镜支撑结构的动力学分析

为了增加大口径望远镜次镜支撑结构的抗扭转刚度,降低次镜支撑结构对主镜的遮拦,提出了采用预紧力八翼梁结构来取代原有的四翼梁结构.根据Euler-Bernoulli梁理论将次镜支撑结构简化为一个由质量点和简支梁组成的简化模型,并进一步将该模型简化为两个更为简单的动力学模型的组合.通过选取恰当的振型函数,使用Rayleigh和Dunkerley方法推导了简化模型的第一阶模态频率数值解,得到的计算结果与有限元仿真结果吻合得很好.针对预紧力的作用,理论推导了预紧力对这种结构第一阶模态值的影响,并使用有限元法对这种结构进行了模拟,两者得到的结果趋势相同,大小一致,从而证明该简化方法可以用于类似结构的动力学特性计算.仿真结果显示,当预紧力施加到20kN时,结构的第一阶模态值由11.6 Hz上升到23 Hz,大大提高了结构的抗扭转刚度,并有效减轻了次镜支撑结构的重量和遮拦比.该结论对于大口径望远镜次镜支撑的设计具有参考价值.     

大口径望远镜次镜系统的拓扑优化设计

针对地基大口径望远镜次镜系统加工精度和装调精度的要求，提出了基于拓扑优化的次镜系统结构设计方法。该方法利用变密度的拓扑优化思想，将次镜系统的Spider结构和Serrurier桁架的设计域限定为基结构，以期望方向的变形最小，通过材料的去留决定结构的最终形状和尺寸。首先，以相对密度为设计变量，Spider结构以1阶振型和重力方向变形为设计约束，桁架以X向和Y向变形为设计约束，建立各结构的拓扑优化模型；然后，以拓扑优化所得构型为基础，利用Workbench进行优化迭代；最后，设置优化参数，采用有限元法进行动静刚度分析和优化。结果显示4 m望远镜次镜系统的1阶谐振为22.7 Hz，光轴指向天顶和水平时重力方向偏移分别为-0.173 mm和-0.195 mm，并且Spider结构和Serrurier桁架的轻量化率超过30%。该结果验证了文中方法的有效性。