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。     

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。     

空间遥感器Ф2 m量级大口径SiC反射镜镜坯结构设计

空间遥感器的大口径反射镜的设计目标是高比刚度。为限制发射成本,尽可能降低镜体质量;为保证反射镜的功能需求,尽可能提高镜体自身的刚度,随着反射镜口径的增大,反射镜的轻量化设计更加重要。针对某Ф2 m口径天基大口径反射镜镜体的轻量化设计,采用了传统经验设计、拓扑优化设计和尺寸参数优化设计相结合的综合优化设计方法,相对大口径反射镜镜体的传统轻量化设计方法,这种综合优化设计方法可使设计结果快速收敛,获得最优化的设计结构。采用综合优化设计方法完成镜体的优化设计后,Ф2 m口径天基大口径反射镜镜体的质量为326 kg,镜体轻量化率高达82.5%,单镜在光轴竖直状态,在1 g重力载荷作用下,取决于镜体刚度的评价镜体成像质量的镜面面形精度RMS值的变化量优于4.9 nm,单镜在光轴水平状态,在1 g重力载荷作用下,镜面面形精度RMS值的变化量优于4.3 nm。结果表明,镜体质量优于设计要求的340 kg;镜面面形精度RMS值变化量优于设计要求的5 nm,满足了镜体要求的高比刚度要求。     

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...     

长条形扫描反射镜的柔性支撑

为适应复杂的工作环境,提高反射镜的面形精度,设计了基于柔性支撑的RB-SiC材料长条形扫描反射镜。采用三角形单元和四边形单元相结合的背部开放式结构,对扫描反射镜进行了轻量化设计;通过分析支撑点跨距对反射镜变形的影响,对支撑点位置进行了优化设计;设计了万向柔性支撑的结构形式,消除装调和环境变化产生的残余应力;利用有限单元法建立了扫描反射镜组件的模型,计算后面形精度可达到0.023;采用自准值法,利用ZyGo干涉仪对反射镜的面形精度进行了测量,测量结果显示扫描反射镜的面形RMS值达到0.029。通过模拟无穷远处动静态目标进行了静动态成像试验,成像质量一致,通过飞行试验对地面目标进行了拍摄,扫描反射镜动态成像稳定,所获得的图像质量良好。     

空间相机反射镜SiC/Al 支撑板轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜组件结构刚度、位置精度、面形精度的同时,最大限度地降低反射镜支撑板的质量,是轻量化设计的一个重要内容。提出了通过拓扑优化确定反射镜用SiC/Al 材料的背部支撑板轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明: 重力载荷下面形精度达到/10 PV,/50 RMS（=632.8 nm）,PV 值13.3 nm,RMS 值2.9 nm,反射镜组件一阶固有频率239 Hz,均优于传统结构形式的反射镜。拓扑优化的方法获得的轻量化背部支撑板能够满足使用要求。     

中心支撑长条形反射镜轻型优化设计

针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式,不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量,而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法,提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构,克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能,并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明,中心支撑的反射镜质量更轻（3.36 kg）,与实体反射镜相比,轻量化率达到了87%,组件质量也较三点支撑减小了24%;在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm,优于三点支撑形式;4℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm,远小于设计要求的RMS 12 nm;反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz,重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 m。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时,保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度,满足设计要求,为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。     

超轻量化SiC反射镜的优化设计

针对空间光学遥感器对大口径主反射镜质量轻、面形精度高的要求,设计了一种超轻量化SiC反射镜。首先确定反射镜的轻量化方案,之后采用集成优化方法,在ISight软件平台上集成几何建模、有限元分析和面形拟合等设计流程并自动化运行。反射镜结构参数为优化变量,镜体质量和面形精度RMS值为目标函数。采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对集成优化模型进行多目标、全局性的优化求解。最后结合制造工艺调整优化结果,得到反射镜的最终设计方案并仿真分析。结果表明,反射镜的质量为11.4 kg,面密度为37 kg/m~2,光轴水平工况下面形RMS值为1 nm,一阶自由模态频率为1100 Hz。结果验证了所提出的集成优化方法的有效性。     

多电极静电拉伸薄膜反射镜的面形优化

为了提高多电极静电拉伸薄膜反射镜的面形精度,基于Henky-Campbell圆薄膜平衡方程分析了薄膜均布载荷作用下的拉伸成形和面形误差。采用ANSYS软件一阶优化法,建立了以薄膜屈服强度为状态变量,镜面3个同心环形区域上施加的载荷为设计变量,以反射镜面形与理想面形的最小均方根误差(RMS)为目标的优化模型,对口径300 mm、中心挠度分别为0.5、1.0和1.5 mm的薄膜反射镜面形进行了优化。实验中优化后的最佳镜面面形RMS为7.73μm,PV值为50.69μm,较优化前分别减少了30.2%和23.7%。     

紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜拓扑优化设计

为了研究某紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜工作在运动状态的轻量化问题,提出了以扫描镜动态面形为设计约束的拓扑优化方法.对设计约束进行了有效的简化,降低了计算的复杂程度.使用拓扑优化方法得到了在转动条件下扫描镜的最优轻量化形式.分析结果表明,拓扑优化后的扫描镜轻量化率为47.3%,动态面形PV值和RMS值分别为19.36 nm和5.65 nm,比优化前分别提高了18.45%和17.40%,同时,扫描镜的一阶频率提高了113.8 Hz.分析结果说明了以动态面形为设计约束进行扫描镜拓扑优化的合理性.     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

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。     

?620 mm口径地基反射镜组件优化设计

为了获得620 mm口径地基反射镜组件的最优设计方案,建立了反射镜及其支撑系统的参数化模型,并基于该模型对镜体厚度、支撑点位置和柔性支撑结构的设计参数进行多目标优化设计。首先,阐述了620 mm口径地基主反射镜支撑系统的运动学约束设计原理。然后,从理论角度推导出柔性支撑的柔度矩阵和结构热变形的等效力,建立了便于优化迭代的反射镜组件参数化模型,对比了参数化模型与体单元组成的详尽有限元模型在多种静力学工况下的RMS值和系统的前6阶模态值,计算结果误差在10%以内,验证了参数化模型的有效性。最后,基于径向基函数的近似模型理论,在Isight环境下对参数化模型进行多目标优化处理。得到了多目标优化的Pareto front前沿,目标值权衡处理后得到系统的最优的设计方案。提出的优化设计方法具有较好的工程适用性,可为同类型的反射镜组件优化设计提供参考。     

空间相机快速反射镜的结构轻量化设计

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求,提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象,设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构,并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法;分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案,有限元对比分析的结果表明,采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉,镜面面形精度较高,并且由于结构简单,其摆动组件的总质量更轻;为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能,同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标,对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化,优化结果显示,加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大;最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g,结构的一阶谐振频率为217 Hz,在-8℃温度载荷的作用下,镜面面形的RMS为7.26 nm,满足设计要求的同时,反射镜实现了40.4%的轻量化率。     

长条形反射镜支撑结构设计与分析

为了降低航空光电侦察设备的整体质量,减小反射镜在复杂航空环境下的面形变化,利用有限元方法对某长条形反射镜组件结构进行了优化。首先,计算轻量化反射镜所需的支撑点数量,并对支撑点的位置进行优化。接着,为了解决温度变化时组件材料线胀系数不匹配带来的热变形问题,在支撑结构中引入了柔性铰链,并对柔性铰链参数进行了优化。最后,对反射镜组件进行面形精度分析,得到反射镜RMS为20.3 nm,小于1/30(=632.8 nm);对组件进行模态分析及试验,得到一阶固有频率分别为138 Hz和162 Hz,满足设计指标要求,分析及试验结果表明了该反射镜的支撑结构合理可行。     

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。