1 m口径空间相机主望远镜组件设计

为了研究大口径望远镜的性能与稳定性,对1 m口径主望远镜组件进行了材料选取、结构设计与分析计算,给出了完整的设计分析结果.首先,比较常用材料的各项性能,确定1m口径望远镜的主镜材料,并进行轻量化设计.接着,经理论计算确定主镜的支撑方案,并对各个部件进行建模.然后,对主镜组件进行模态分析,验证支撑方案.最后,对主镜组件进行重力变形分析与热分析.轻量化后主镜重76kg,轻量化率达到77%.仿真结果表明:主镜轴向与径向自重变形RMS值分别为8.9 nm与3.5 nm;经i Sight软件优化设计,主镜径向自重变形RMS值从3.5 nm减小到3.3 nm,相比优化前提高了5.7%.当主镜镜体温度梯度为20±0.3℃时,镜面RMS值为10.1 nm,满足望远镜的面形精度要求.     

大口径多组元透镜的固定结构设计及动力学分析

针对镜头中大口径多组元透镜组的固定支撑结构进行了设计,采用有限元分析方法,利用Ansys软件对其固定镜筒的厚度及结构进行了一阶谐振频率及变形分析。仿真试验结果表明采用在镜筒、隔圈和压圈的简单结构的悬壁端增加一个由四个球头顶丝组成的辅助支撑的结构,能降低透镜组的整体变形量。固定镜筒厚度的增加对透镜组的一阶谐振频率影响不大,但会造成一阶谐振频率的下降。增加镜筒厚度,由于固定结构的刚度提高,由此引起轴向变形会降低,但采用所设计的固定结构后,针对不同的镜筒厚度其轴向变形在0.015μm到0.018μm之间,能满足光学设计的要求。     

望远镜主镜支撑用液压缸研究与设计

液压支撑系统作为大型望远镜的主镜支撑得到了越来越广泛的应用，而支撑液压缸是液压支撑系统的关键技术，液压缸的轴向刚度又是液压缸设计的关键参数。本文给出一款利用滚动薄膜作为密封件的液压缸设计，并在考虑存在残留空气的情况下，分析了液压缸轴向刚度，得到了此种情况下液压缸的轴向刚度理论表达。发现存在残留空气会显著降低液压缸的轴向刚度，而提高初始压强则会提高液压缸的轴向刚度，在实际应用中0.5MPa初始压强可以保证液压缸刚度达到10N/μm。     

中小口径次镜支撑结构的动力学性能分析

针对口径在800mm以内的中小口径次镜支撑结构,采用有限元分析方法,利用Ansys软件时其梁片的厚度、长度及在支撑结构中的位置进行了一阶谐振频率及轴向变形分析.仿真结果表明在遮拦比一致的情况下,系统口径的增加导致次镜支撑结构的一阶谐振频率下降很快.当口径较小时,不同支撑结构的刚度都较好,由此引起结构谐振频率变化不大但都能很好的满足要求,因此可以选择加工工艺最简单的结构.而当口径较大时,不同结构的谐振频率差别较大,其中最高的为四翼偏置结构,但在不同口径时,几种结构的谐振频率的数值变化规律是相同的.当口径超过650mm时改变梁片厚度,结构的一阶谐振频率会相应变化,其中变化最大的为三翼对称结构,对相同的梁片厚度四翼偏置结构的谐振频率最高且轴向变形最小.     

TMT三镜缩比系统cradle组件结构设计与分析

三十米望远镜(TMT)三镜系统具有跟踪瞄准功能,其结构类似于地平式望远镜,其镜室托架(cradle)功能相当于望远镜中的四通组件,其结构设计对系统指标有着直接的影响。以三镜缩比系统为例,为了提高cradle组件的结构刚度质量比,根据三镜系统结构特点,提出了桁架拼接式的结构设计,利用有限元方法对其进行了静力分析和模态分析。结果表明,在重力沿x、y、z方向三种工况下,cradle组件最大变形分别为0.064mm、0.015mm、0.025mm,其一阶固有频率为74.4Hz,利用模态分析仪对cradle组件实物进行了模态检测,其结果与模态分析前四阶结果最大相对误差为10.2%,显示所设计结构满足使用需求。     

30m望远镜三镜系统初步设计与分析

为保证30 m望远镜(thirty-meter telescope,TMT)聚集的光线顺利进入各个终端设备,设计了一套适用于30 m望远镜的精密跟踪指向三镜系统.该系统包含有基于Whiffle-tree原理的三镜支撑系统设计和采用地平式结构的跟踪指向系统设计2两个部分.通过参数化建模手段,在ANSYS中建立了系统的详细模型,联合Matlab完成了98个主要工况下的静力学分析后,对镜面面形结果以及结构变形情况进行了统计总结.最后将面形误差引入到ZEMAX中,分析了三镜面形变化对光学调制传递函数的影响.结果表明:98个工况下三镜位置与理想位置最大偏差为1.28 mm,系统的第一阶谐振频率为15.1 Hz,各工况下三镜面形精度均满足指标要求.三镜面形误差对系统MTF影响较大,但通过主镜主动光学校正后可以明显提高成像质量,满足使用要求.通过分析可知,该方案能够满足30 m望远镜项目的需求.探索与解决巨型望远镜的这些技术问题能够大大提高中国在超大口径光学望远镜上的设计和制造能力,并为建设中国下一代巨型望远镜积累丰富的经验.     

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。     

非接触密封失稳振动分析与结构优化

为了提高非接触密封系统的密封稳定性,针对浮动环系统的振动特性,提出基于预应力模态分析和振动测试试验相融合的固有频率漂移优化设计方案.从气膜刚度方程与浮动环系统的振动方程出发,建立气膜刚度稳定性与浮动环系统振动的理论关系式.依据密封设计要求,建立浮动环系统模态分析模型;搭建浮动环系统的振动特性测试平台,多次测试多级离散化操作参数下浮动环系统的轴向振动加速度响应.试验数据显示,当转速为7 000 r/min时,加速度响应出现峰值,与浮动环系统预应力模态分析下的轴向共振模态频率具有较高的吻合度;基于分析及试验结果,对非接触密封浮动环系统提出提高弹簧刚度的优化方案,并进行验证.优化结果表明,浮动环系统的加速度响应峰值得以消除,避免了非接触密封失稳;相对于未优化前,加速度响应幅值有效降低了12%,密封性能更加稳定.     

一种高稳定性次镜支撑结构的优化设计

空间光学设备通常具有大口径、长焦距等特点,支撑结构的稳定性对成像质量至关重要。以激光通信终端天线系统为对象,设计了次镜支撑结构,并通过有限元分析检验了设计的合理性和结构的稳定性。根据光学设计结果,针对次镜的设计要求,对不同设计方案进行了分析对比,选择了合理的支撑方案;对比并选择了合适的支撑结构材料,并以分析比较为基础设计了具体结构形式;设计了整体支撑结构并进行了整体模态分析和光学面型误差分析。分析结果表明,次镜支撑结构的基频300Hz,温升与重力作用下面形误差RMSλ/200,主次镜之间的角度变化量10",满足设计指标要求。     

基于拓扑理论的超高速摄影仪转镜结构设计

提出基于连续体拓扑优化设计理论的转镜结构拓扑描述方式和材料插值模型,利用有限元理论和方法,建立转镜各向同性惩罚微结构单模态拓扑优化插值模型,对转镜的第1阶固有频率进行最大动刚度拓扑优化数值分析,并根据转镜伪密度分布图,修改原有转镜结构.通过对修改前后转镜模态进行数值分析与试验发现,转镜第1阶固有频率由原来的713.6 Hz提高到821.4 Hz,第2阶固有频率值增加48%,第3阶固有频率值增加50%,其他各阶固有频率都有明显提高.试验结果和数值解在误差范围内保持一致.     

Whiffletree结构中的柔节设计

针对某空间遥感器大口径反射镜采用的复合支撑结构的定位、解耦和释放热应力需求,设计了一种空心圆柱切槽式的柔节。根据该柔节在支撑结构中的功能,采用传统材料力学公式和有限元仿真相结合的手段开展柔节结构件的设计。该柔节可以约束沿柔节轴向的自由度,释放垂直轴向的方向的自由度,该柔节结构简单,并且很实用。采用有限元和试验的方法,对柔节在设计载荷下沿轴向的变形量和径向的变形量进行了仿真和测试,沿轴向的变形量为0.002mm,沿径向的变形量为0.113mm,该柔节满足支撑结构的解耦要求。     

光纤环圈数控缠绕机主轴结构优化设计

分析了光纤环圈数控缠绕机主轴的结构和加工过程中的受载变形情况,以主轴结构尺寸和主轴径向跳动(安装光纤环圈骨架处)不超过5μm为约束条件,以主轴质量最轻为目标建立了主轴结构优化设计的数学模型.针对传统优化设计方法在解决主轴优化设计中出现的问题,引入果蝇算法对主轴进行了优化设计,实例设计及结果分析表明:基于果蝇算法的主轴优化设计方法所得的主轴结构参数比常规设计更好.     

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.     

基于组装式望远镜的子镜模块结构设计

在轨组装空间望远镜是将望远镜进行模块化,模块通过一次或多次发射送入预定轨道,并在轨道上完成整机组装、调试。组装式空间望远镜的主镜由多个子镜模块阵列拼接而成,基于1 m口径空间组装望远镜地面原理演示样机,对望远镜子镜模块进行设计,设计内容包括子镜的镜体支撑、促动器的装配方法等,采用有限元数值模拟分析手段对设计结果进行了仿真验证,然后对子镜模块实物进行了相关测试。结果表明,子镜反射镜的面形精度RMS优于0.02λ,两组子镜的共焦共位相拼接精度为0.023 5λ,支撑结构设计合理、效果良好,满足使用需求。     

巨型望远镜FAST 30m模型结构传感器优化布置

为了有效监测结构,研究巨型望远镜(FAST,Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)30m模型结构——整体索网结构的传感器优化布置方法.FAST 30m索网结构监测内容包括环境荷载和结构响应,其中索应力、变位节点位移、结构振动是主要监测物理量.索应力监测传感器主要按照"热点应力"原则布设,综合考虑各照射源方向反射面变位后"热点应力"位置、按实际周围环境数值模拟各风向作用下风荷载计算的最大峰值响应位置以及球面基准态时索应力变化对结构整体刚度影响较大的位置;为使主动反射面精确定位,所有变位节点粘贴光学靶标,采用激光全站仪自动同步扫描其坐标以推算径向位移和切向位移;结构振动以风荷作用下主要参与振动模态为目标模态,基于有效独立法进行测点优化.     

高层结构中框架柱截面优化设计

阐述了框筒结构优化设计基本理论,探讨了运用ANSYS软件进行框筒结构优化设计的有关方法。以某18层框筒结构办公楼为例,先进行柱截面优化设计,再对优化后的设计模型在地震波作用下进行抗震变形验算与分析。研究结果表明,优化设计后不仅可使柱子成本降低28.168%,而且框筒结构的弹性层间位移角仍然满足抗震性能要求。     

加劲构件对扁平球壳刚度的影响分析

单层网壳可采用径向加劲构件提高其刚度。通过对比实腹梁、空腹桁架和三管桁架三种加劲构件形式下结构变形和自振特点,考察不同形式的加劲构件对网壳－弦支穹顶组合结构刚度的改善程度,在用钢量相近的前提下,整个结构刚度随径向加劲构件刚度的增大而提高,但刚度不平衡性也相应增强。此外,分析了温度作用和径向加劲构件数目对整个结构刚度的影响,并给出120 m ×70 m跨度的扁平球壳结构适宜采用的径向加劲构件数目。     

高层建筑斜交网格筒结构侧向位移角研究

推导了斜交网格筒结构子模块的侧向刚度、剪切转角和弯曲转角的简化计算式.通过结构腹板角部斜柱的轴向应变与子模块变形转角之间的关系,建立了子模块变形转角的计算方法,并通过SAP2000软件进行了验证.提出了通过斜交网格筒结构各子模块的变形转角,来控制其在弹性阶段时的侧向刚度及变形能力.结果得出:剪切刚度和弯曲刚度均随着斜柱角度的增大而减小;在相同的侧向荷载作用下,随着斜柱角度的增大,剪切转角与弯曲转角的比值逐渐增大;变形转角受斜柱角度变化的影响比较明显,建议根据结构具体的几何参数,不同斜柱角度的结构应采取不同的弹性位移角限值.     

轿车车门焊点布置优化设计及仿真分析

以国内某轿车前车门为例,在CATIA中建立三维模型,在HyperMesh中进行网格划分,并通过OptiStruct软件对其进行模态以及3种工况下的刚度分析 然后利用OptiStruct软件提供的拓扑优化方法对车门结构中的焊点布置进行优化设计,并对该车门焊点布置优化设计后的结构重新进行模态和刚度分析,验证了车门焊点布置优化设计方法的可行性.     

超高建筑斜交网格筒力学性能研究

斜交网格筒新型结构体系因其强大的刚度,为建造超高建筑提供了有利条件,目前已在国内外有多例成功实践.然而斜交网格外筒作为该体系的重要受力组成部分,力学特性尚不清晰.分析了五种形式的斜交网格筒,总结了竖向和侧向荷载下斜交网格柱、主次结构层梁的受力特点和规律;推导了矩形斜交网格筒模块腹板立面抗弯刚度,修正了斜交网格筒模块抗弯刚度简化计算公式,结果表明斜交网格筒腹板立面对筒整体抗弯刚度贡献显著;进一步推导出三种典型侧向荷载下矩形斜交网格筒顶点侧移的简化计算公式,并基于该简化计算公式编制了楼层侧移计算程序,计算简便、快速,能够精确预测斜交网格筒变形分布.