新型混合柔性铰链柔度研究

提出了一种新型双曲线直圆混合柔性铰链。利用卡氏第二定理推导出双曲线直圆混合柔性铰链的柔度计算公式,并根据所推导的公式,分析了直圆半径、最小厚度和切割深度对其柔度的影响。同时采用实体单元建立双曲线直圆混合柔性铰链的有限元模型,对不同几何参数的铰链进行仿真分析,并对仿真解与解析解进行对比。结果表明:仿真解与解析解的最大误差在8%以内,证明了所推导公式的正确性;与不同形状的柔性铰链对比得出,双曲线直圆混合柔性铰链具有更好的转动能力和对载荷较高的敏感性。所设计的新型双曲线直圆混合柔性铰链更适用于快速反射镜支撑结构中,同时也为混合型柔性铰链的设计和优化提供了理论依据。     

单边抛物线形柔性铰链的计算与性能分析

提出了一种单边抛物线形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边抛物线形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元的方法对柔性铰链的解析公式进行校验,结果表明:有限元方法与闭环解析式的结果基本一致.并对单边抛物线形柔性铰链的性能进行分析,得出了结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过对双边抛物线形柔性铰链比较,分析了单边抛物线形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考.     

直圆抛物线复合铰链柔度研究

提出了一种新型柔性铰链:双边直圆抛物线复合铰链,建立了其理论结构模型,利用卡氏第二定理及微积分理论对铰链的主要性能指标柔度和转动精度进行计算,并取实际参数对柔度及转动精度进行了理论计算及有限元分析,同时对影响铰链性能的结构参数进行研究,结果表明:铰链柔度及转动精度的理论值与有限元分析值相比较,一致性大于92%,且铰链柔度随最小切割厚度t的变化最大。作为一种新型铰链与其他柔性铰链进行了对比,直圆抛物线铰链融合了直圆铰链与抛物线铰链的优点,当cL/2时,铰链具有较强的转动性能及较弱的载荷敏感性,且热适应能力更强。所设计的直圆抛物线铰链为包括空间环境使用的支撑结构柔节的设计提供了指导。     

倒圆角三角型两轴柔性支撑设计

为提高压电陶瓷驱动的快速反射镜的回转精度,对倒圆角三角型柔性支撑进行研究。首先利用卡氏第二定理推导出倒圆角三角型柔性铰链柔度和回转精度理论计算公式;然后建立倒圆角三角型柔性铰链和两轴柔性支撑的有限元模型,并进行仿真分析得出柔度和回转精度的仿真值。将仿真值与理论值进行比较,其结果表明,最大误差在8%以内,验证了所推导公式的准确性。对比直圆型柔性支撑,在保证柔度的前提下,倒圆角三角型柔性支撑的回转精度提高了40%,具有重要的工程实用价值。     

两轴正交圆切口单轴柔性铰反射镜支撑结构

在实际工程应用背景下,基于实际材料参数测试结果,借助有限元分析手段系统分析了切口半径r和最薄切口部位厚度t对圆切口单轴柔性铰柔度系数和等效转动半径dc的影响趋势,并归纳总结出简化的圆切口单轴柔性弯曲变形计算模型。为验证该模型的可靠性,搭建了相应的实验装置。与实测值相比,简化模型的计算误差优于10%,可满足工程应用要求。在此基础上,提出了基于圆切口单轴柔性铰链的两轴反射镜柔性支撑结构简化计算模型,该模型可大大减少经典理论模型的计算工作量,为此类反射镜柔性支撑结构的参数化设计和尺寸优化提供了参考依据。     

空间反射镜背部双脚架柔性支撑结构设计

为了满足空间反射镜温度适应性好、结构紧凑的要求,采用有限元分析方法,以超低膨胀系数玻璃空间反射镜（?355mm）为支撑对象,设计了一种背部双脚架柔性支撑结构。首先研究了双脚架支撑的基本设计原则,从自由度角度分析了双脚架支撑结构相对背部3点支撑结构的优势。然后针对支撑结构尺寸参量、柔性铰链结构尺寸参量对面型精度的影响进行了仿真分析和优化设计,提出支撑脚延长线交点位置应作为背部双脚架支撑的关键设计参量,与粘接位置分别设计。结果表明,优化设计后的背部双脚架柔性支撑结构温度适应性好,能够有效卸载温度变化引入的附加载荷,同时具有较好的支撑效果和动态刚度;反射镜支撑后面形精度均方根值为3.68nm,组件的1阶频率达到123.41Hz,满足设计要求。该研究对未来背部双脚架支撑结构设计具有借鉴意义。     

大口径透镜混合柔性支撑结构优化设计

针对大口径透镜,提出了一种新型混合柔性支撑结构,能够使透镜同时满足面形精度及位置精度要求。首先利用卡氏第二定理对各柔性铰链进行分析,建立支撑组件整体柔度模型。然后以柔性支撑组件的总变形能为目标函数,以位置精度及实际使用空间要求为约束,建立结构优化设计模型。之后确定径向柔性支撑结构对组件整体柔度的敏感度最大并对其刚度进行验证。最后对优化后的透镜组件整体结构进行有限元分析,同时利用曲面拟合方法计算镜面面形精度。仿真结果表明,在该新型混合柔性支撑结构的作用下,透镜在各要求工况下的面形精度均优于λ/20 (λ=632.8 nm)。所设计的新型混合柔性支撑结构及其理论分析过程可为高精度大口径透镜的支撑技术提供参考。     

遥感仪器光学系统用非球面反射镜的支撑结构设计

目前空间遥感仪器的非球面反射镜一般都是用支撑柔性结构加背板的支撑结构支撑的。由于支撑结构的质量占有较大比重,需要简化支撑结构的形式,降低支撑结构的质量。依据三点定位原理和双脚架挠性结构,设计了3个用于简化反射镜支撑结构形式的柔性铰链结构,并采用有限元软件对设计结果进行了分析。结果表明,这种支撑结构形式可以适应空间力热环境并能达到精度要求,实现了对大口径非球面反射镜的支撑。该支撑结构去除了传统结构中的反射镜背板,简化了支撑结构的形式,减小了支撑结构的质量,降低了组件加工和装配工艺的难度。     

2 m 望远镜K 镜支撑结构优化设计

为了使得某2m望远镜消旋K镜在重力环境温度变化的影响下镜面面形和结构刚度满足要求,设计了一种柔性支撑结构。KM1 支撑方式采用背部三点支撑,通过有限元软件ANSYS 对支撑位置进行优化。并基于伴随变换建立了柔性支撑杆的柔度矩阵,对柔性铰链的厚度、长度和宽度进行优化,使反射镜支撑刚度满足需求,并减轻热应力和装配应力面形的影响。KM2 采用周边三点支撑,间隔120均匀分布,支撑杆结构与KM1 相同。在重力和均匀温降的联合工况下,KM1 和KM2 的有限元仿真结果达到了设计要求,KM1 镜面面形RMS 低于/40,KM2 镜面面形RMS 低于/60,一阶谐振频率均高于100 Hz。     

空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化

针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。     

柔性侧支撑在大型望远镜中的应用综述

阐述了目前大型望远镜口径的发展趋势,为保证镜面面形精度的前提下得出了柔性支撑是必不可少的环节这一现状。从力热耦合工况影响镜面面形的因素说明柔性技术在望远镜支撑系统中的必要性。概括了柔性支撑较于刚性支撑所具备的优势并且给出了柔性支撑设计时要遵循的几个原则。以柔性侧支撑为主介绍了三点切向支撑、边缘支撑、两脚架柔性支撑三种径向支撑形式,结合这三种支撑思想介绍国内外具有代表意义的几种大型望远镜中的应用实例。总结柔性支撑技术的应用领域及发展前景。希望能对柔性支撑技术的进一步发展提供一些借鉴意义。     

基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计

为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求,研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先,基于连续体结构拓扑优化的思想,以单元虚拟密度为设计变量,以位移变形和一阶频率及质量为优化约束,应变能最小为优化目标,建立了底座设计的拓扑优化数学模型,并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度;然后,对底座结构应用拓扑优化设计,并以所得的理想概念构型为基础,进行底座结构的详细设计;最后,采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明,底座质量从27.66 t减至22.15 t;最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm;一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz;在减小质量的同时,有效提高了底座结构的静刚度和动刚度,验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。     

On the limits of applicability of an approximate formula for the surface impedance of a rectangular groove

The problem of determination of the equivalent surface impedance of a rectangular groove is considered. The solution is obtained by the integral equations method. The Krylov–Bogoliubov method is used to solve integral equations numerically. The obtained dependence of the impedance value on the groove depth is compared to the dependence calculated using an approximate formula for different groove widths. The limits of applicability of the approximate formula are determined.     

Accurate Hybrid-Mode Finline Configurations Including Analysis of Various Multilayered Dielectrics, Finite Metallization Thickness, and Substrate Holding Grooves

An accurate analysis of various finline configurations is introduced. The method of field expansion into suitable eigenmodes used considers the effects of finite metallization thickness as well as waveguide wall grooves to fix the substrate. Especially for millimeter-wave range applications, the propagation constant of the fundamental mode is found to be lower than by neglecting the finite thickness of metallization. For increasing groove depth in cases of asymmetrical and "isolated finline," higher order mode excitation reduces the monomode bandwidth significantly. In contrast to hitherto known calculations, this parameter only causes negligible influence on a fundamental mode if the groove depth is lower than hall of the waveguide height.     

Influence of Interfacial Compliance on Thermomechanical Stresses in Multilayered Microelectronic Packaging

Many analytical procedures are proposed for thermomechanical analysis of layered structures, mostly based on the perfectly bonded interfacial conditions. However, in the microelectronics industry, there is a strong desire to design packages with flexible interfaces to decrease interfacial stresses and interfacial delamination. In this paper, an analytical model based on flexible interfacial compliances is presented for multilayered microelectronic structures where loading can be a thermal gradient across the layers rather than uniform temperature. Interfacial stresses and the normal stresses in the layers can be calculated very efficiently and quickly compared to time-consuming finite-element analysis and following asymptotic analysis. The influence of interfacial compliance on thermomechanical stresses is investigated for different cases