空间相机主反射镜结构拓扑优化设计

随着空间光学的发展.遥感器的口径越来越大,分辨率越来越高,这就导致遥感器的主反射镜口径和质量越来越大.主反射镜的设计是否合理,将直接影响遥感器的质量和成像质量.因此采用拓扑优化方法与有限元计算方法相结合,以NASTRAN为有限元解算器,以PATRAN为前处理器,在空间光学遥感器主反射镜外形、栽荷、环境工况确定的情况下,对其结构进行拓扑优化,得到最优结构形式.通过对优化前后结构进行有限元分析,结果表明:优化后的反射镜镜面面形比传统的镜面面形减小或相当,质量减轻32%,动力学性能改善.优化后的主反射镜结构能够满足加工、工艺和装配的技术要求.这种优化与有限元分析技术的结合将为以后的光学反射镜的设计提供有效的帮助.     

一体化铝合金反射镜的拓扑优化设计与分析

针对口径为300 mm的一体化铝合金反射镜进行了拓扑优化设计,在反射镜光轴方向的自重载荷下,以整体柔度作为约束,反射镜最小体积作为目标进行迭代优化,得到了拓扑优化结果模型,根据其特征建立了实体模型并进行了参数优化,最终得到了总质量为2.08 kg、面形均方根RMS(Root Mean Square)为5.9 nm、轻量...     

机载红外系统主反射镜的拓扑优化设计

反射镜轻量化设计一直是光机结构设计领域的一项挑战性课题。针对某机载红外光学系统的主反射镜,提出了一种基于 SIMP 拓扑优化方法的反射镜轻量化设计流程,建立了反射镜拓扑优化的数学模型,以最小化镜体自重和抛光载荷作用下的镜面矢高位移 RMS 值为优化目标,同时考虑对称约束和拔模约束,对反射镜进行了拓扑优化设计。根据拓扑优化结果设计了新的反射镜轻量化结构,并将其与传统结构进行了对比。采用拓扑优化方法设计的反射镜具有更高的轻量化率,同时能够获得较高的面形精度。     

空间遥感相机大口径反射镜结构优化设计

为满足大口径反射镜在复杂空间环境下对高面形精度和热稳定性的要求,针对某Φ660 mm口径反射镜进行了轻量化研究。提出了一种采用经典理论公式创建反射镜初始结构,结合灵敏度分析和参数优化进行综合设计的方法。首先构建了反射镜参数化模型,采用灵敏度分析研究镜体结构参数对面形变化的影响规律,找到对镜面面形RMS值灵敏度高的结构参数进行优化迭代。相比于传统反射镜结构设计方法,此方法缩小了优化设计空间,节约了计算成本与时间,能够在设计空间内全局寻优,较快收敛于最优值。优化后反射镜在自重载荷工况下镜面面形PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40(λ=632.8 nm),镜体质量为13.6 kg,轻量化率达78.4%。镜体组件一阶频率为121 Hz,满足反射镜动态刚度要求,根据优化后的结果建立了反射镜的最佳结构模型,并进行了投产制造。     

大口径大角位移的两维高速压电倾斜反射镜

两维高速压电倾斜反射镜是自适应光学系统和提高跟瞄系统的关键器件。本文介绍了我们研制的各种倾斜镜的性能，对于大口径大角位移的倾斜镜，谐振频率将受以口径和角位移的限制，本文分析了这些限制，并提出提高振频率的措施。     

扫描反射镜轻量拓扑优化设计

扫描反射镜重量过大,会增加马达的负载,从而导致体积和总重增加;反射镜的二级模态接近光电系统平台的共振频率点时,会引起共振现象.为了使扫描反射镜减重,首先对其进行有限元分析,得出最大加速度变形、二阶模态和转动惯量.其次,根据有限元分析的结果选择铍作为扫描镜的材料.接着利用ansys软件进行拓扑优化,优化时考虑不同体积百分...     

大口径轻质反射镜光轴水平卸载支撑方法

大口径轻质反射镜的重力环境下高精度检测是目前的一个难点,由于其轻量化程度高,绝对刚度低,在重力环境下,支撑形式的不同对光学检测结果影响巨大。提出了一种以提供提拉牵引力的方法实现光轴水平支撑测试的解决方案,通过一系列的滑轮组的自适应调整,获得预定义的力学支撑,实现轻质反射镜光轴水平状态重力环境下的高精度面形测试。有限元力学分析结果表明,依据本方法开展的光轴水平状态检测,能够有效减少重力引起的光轴竖直和光轴水平两种状态下的面形变化RMS值差异,其差异值小于0.003 （=632.8 nm）。文中所提出的方法具有良好的可实施性,它可推广应用到其他大口径轻质反射镜的检测支撑的设计中,为此类大口径相机的研制提供技术基础。     

空间光学遥感器长圆形反射镜组件优化设计与分析

为了减轻空间光学遥感器反射镜的镜体质量,并降低反射镜在恶劣空间环境下的面形误差,利用有限元技术对某长圆形反射镜组件进行了优化设计。首先在反射镜进行轻量化后,对其进行支撑点位置优化和结构拓扑优化;其次对柔性支撑进行优化设计,引入了一种新型柔性铰链,解决了因背板热变形导致反射镜径向变形的问题,改善了反射镜面形精度。优化后的反射镜面形RMS 最大值为14.6 nm,小于/30（=632.8 nm）,一阶固有频率大于100 Hz,满足了设计要求,证明了该优化设计方法合理可行。     

大口径反射镜轻量化及其支撑结构设计

为了满足大口径(800mm400mm)矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求,采用背部3点支撑方式,基于Bipod原理,为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构。分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响,选取其中影响较大的参量作为设计变量,对镜体轻量化结构进行了优化设计,并进行了有限元分析。结果表明,优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。振动试验结果与有限元分析结果相符,证明了其准确性。     

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。     

基于小口径反射镜的大口径拼接光栅压缩器设计

为实现大口径拼接光栅拼接误差的高频高精度补偿的工程应用,提出了一种基于小口径反射镜补偿大口径拼接光栅压缩器拼接误差的方法。基于双程Z型压缩器,分析了小口径反射镜补偿量与拼接误差的关系,采用光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理定量计算了各拼接误差补偿后对远场能量分布的影响,证明了该方法原理的正确性,并得到了直接驱动光栅与反射镜补偿时的各误差容限,结果表明该方法能极大降低拼接光栅的精度要求。     

大口径主镜支撑液压缸用弹性膜片优化设计

在大口径望远镜主镜液压支撑形式中,液压缸需要一种简单可靠、不需要润滑维护的精密导向机构,而且可以输出较大行程范围(毫米级)。设计了一种柔性金属膜片机构用于液压缸的径向定位导向。建立了金属膜片机构有限元模型,采用几何非线性算法,研究分析了不同拓扑结构对金属膜片柔度的影响,通过不同拓扑结构金属膜片的性能分析对比可知,V 型膜片能够很好地克服应力刚化,保证柔度的稳定性;以柔度为优化目标,对金属膜片V 型的位置尺寸和形状尺寸进行了优化设计,金属膜片在导向方向上的柔度提高了14.2%;搭建了柔性金属膜片机构柔度测试平台,验证了仿真计算结果。结合实验和仿真结果可知:V 型柔性金属膜片具有良好的定位导向性能,对用于液压支撑的液压缸和主动光学的微位移促动器的导向机构的设计具有指导意义。     

大口径望远镜主镜支撑结构研究

主镜是望远镜系统的重要组成部分之一.随着其口径的不断增大,望远镜的重量也随之加大,自重、热变形等问题将对主镜镜面的面形精度产生一定的影响.因此,在保证系统精度的同时,要尽可能的减少结构重量,所以在设计阶段就要根据光学系统的技术要求及影响因素对主反射镜的支撑方案进行综合考虑和全面分析,使其结构设计更为合理.根据大口径望远镜系统主镜结构设计的要求,利用结构分析软件,建立结构分析模型,来确定主镜支撑方案.详细分析了大口径望远镜主镜支撑的各方面技术.     

大口径导光板抛光及其功率谱密度分析

光学技术对于现代科学尤其是航天科学的发展起着越来越重要的作用。而具有高精度大口径光学元器件的跨尺度加工一直是现代光学技术的难点。超精密气囊抛光技术是基于计算机控制光学表面成形技术。其采用充气的柔性抛光气囊作为抛光工具,解决了传统数控抛光方法中抛光头不能很好地和工件吻合的缺点。以Preston方程为基础,研究了超精密气囊抛光的理论材料去除特性,建立了气囊抛光中进动运动方式下的材料去除模型,并针对气囊抛光工具的物理特性,按照Hertz接触理论对去除模型进行了修正。在理论分析的基础上完成了一块口径为570 mm的平面楔形工件的抛光,使得工件的面形精度P-V值达到了1/8 ,RMS值达到1/75 。并分析了该元件的功率谱密度（PSD）曲线,窄带噪声及其产生原因。     

空间遥感相机大口径变方位反射镜设计

随着遥感技术的发展,新型相机对变方位反射镜提出了口径更大,精度更高的需要。针对1 000 mm×700 mm大口径变方位反射镜提出了一种新式背部高稳定支撑设计,相对于常规变方位反射镜设计,具有体积包络小、重量轻、适应性广的特点。反射镜采用ULE材料,蜂窝夹层的轻量化结构形式,通过背部三点关节球铰卸载了反射镜的装配应力和在轨热变形应力,达到反射镜的无应力静定支撑。通过重力卸载结构的设计和卸载力的优化,解决了光学反射镜地面测试结果天地一致性问题。仿真分析表明地面重力环境下,在90°反射镜面型测试方位时,面型为0.006λ(λ=632.8 nm);在75°整机成像方位Ⅰ测试时,面型为0.005λ;在45°整机成像方位Ⅱ测试时,反射镜面型为0.011λ。反射镜组件的一阶频率达到83.2 Hz,具有较高的刚度,能够满足发射时力学环境要求。这种大口径变方位反射镜组件设计能够满足新型遥感相机的需求,也可为同类反射镜的设计提供参考。     

基于HyperWorks的汽车挡泥板结构拓扑优化设计

挡泥板作为汽车覆盖件的一种,其刚性要求不可忽视。基于有限元模态分析方法,得到了挡泥板的前六阶固有频率及模态振型。依据挡泥板的刚度设计要求,以第一阶固有频率最大化为目标函数,体积分数（质量）为约束条件,建立了结构优化的数学模型;利用HyperWorks对其进行了结构拓扑优化求解;根据优化结果在初始结构上布置了加强肋。挡泥板的第一阶固有频率从优化前的43.6Hz变为84.9Hz,提高了94.7%,体现了拓扑优化方法在汽车零件初始设计中具有重要的理论意义和实际应用价值。     

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ （λ=632.8 nm）的高精度要求，为模拟在轨失重状态，降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响，对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先，在反射镜分区的基础上，提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则；随后，建立反射镜的有限元模型，以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标，以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化，通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点，实现优化过程的简化；最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中，测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ，且面形分布较为一致，说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效，为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。     

长条反射镜及柔节的参数优化设计

为了提高空间离轴相机反射镜组件的设计效率,以某长条反射镜组件为例,提出了一种参数优化设计方法,以反射镜及柔节为研究重点,详细阐述其结构参数优化设计过程。对优化后的反射镜组件进行仿真分析,该组件在1 g轴向重力工况下,镜面面形RMS值为1.60 nm≤λ/50(λ=632.8 nm）;在5 ℃均匀温升载荷作用下,镜面面形RMS值为6.70 nm≤λ/50;质量为2.58 kg,基频为274 Hz,数据均满足设计要求。表明对反射镜组件结构进行参数优化可较好地满足指标,并由计算机进行结构参数优化迭代,显著提高了设计效率。