空间大口径望远镜可展开式反射镜单元镜支撑技术

本文介绍了下一代空间望远镜的可展开式反射镜的概念及设计方案,并且分析了展开式反射镜单元镜的支撑方案,目的是确定单元镜支撑点数量及排布方式.用有限元方法分析了12-6-1、12-8-1和16-8-1型三种支撑点排布方式下各自的镜面自重变形.计算结果表明,采用16-8-1型的排布方式较为合理.计算带有支撑座的单元镜在1g惯性载荷作用下,通过调节支承座位移,获得镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm)的面形,表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性.     

横观各向同性功能梯度圆板弯曲问题的精确解

对周边为弹性支承边界条件下的横观各向同性功能梯度材料圆板轴对称弯曲问题进行了分析.将位移函数写成傅里叶-贝塞尔级数的形式,根据横观各向同性功能梯度材料基本方程,并针对指数函数形式的梯度分布情况,对功能梯度圆板轴对称弯曲问题的位移和应力进行了精确分析.并通过具体算例,分析了在圆板上、下表面荷载作用下,材料性质的不同梯度变化对圆板结构响应的影响.分析结果表明,材料性质的梯度变化对圆板的力学性能有显著影响.     

长条形空间反射镜镜体及其支撑结构设计

为了满足长条形空间反射镜的设计要求,从结构材料的选择、镜厚比确定、支撑方式与最佳支撑点位置的选择以及镜体轻量化等方面进行了详细的镜体结构设计。设计了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足温度载荷与装配误差0.05mm工况下镜体面形精度的要求。利用有限元分析软件对反射镜组件进行分析,反射镜组件在Z向1g重力、4℃温升以及0.05mm强制位移三种工况耦合作用下的面形误差峰谷值PV为20.5nm,均方根值RMS为4.75nm,优于PV值小于λ10,RMS值小于λ50的设计指标。组件一阶频率141.83Hz,满足动态刚度要求。组件分析结果表明,反射镜及其支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

一种基于有限元分析的柔性支撑结构设计

为了满足反射镜较高的面形精度要求,提出了一种基于有限元分析的柔性支撑结构.首先根据反射镜的设计要求确定柔性支撑的结构形式,然后利用有限元分析软件对反射镜组件进行网格划分并提交运算.分析结果表明,当柔性支撑中镶嵌件膜片厚度为1.5mm、柔性杆十字槽厚度为4mm时,反射镜组件的一阶谐振频率达到206Hz,在1g重力作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到2.5nm、4.4m、25.3nm,在1g量力和4℃温升共同作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到15.2nm、17.7nm、28.5nm,各项指标均满足设计要求.动力学响应分析表明,柔性支撑具有较强的抗振能力.     

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.     

位移边界对2D-FGM板热应力影响研究

考虑不同的位移边界条件,建立了常物性2D-FGM板研究模型,并采用有限元法,得到其冷却瞬态热应力场分布图形。位移边界条件对常物性2D-FGM平面区域冷却瞬态热应力分布影响颇大,在简支和一端固定情况下,2D-FGM板自由边界上的热应力σx=0;两端固定情况下,其左右两边界均形成上中下三个应力聚集,应力分布形状和数值都发生了巨大的变化;将四周均设置呈固定约束后,热应力数值增长幅度较两端固定情况时更为明显。此结果为该材料的设计、制备提供了准确的理论计算依据。     

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。     

均布载荷作用下正交各向异性固支梁的解析解

针对均布载荷作用下正交各向异性梁在两端固支条件下的平面应力问题，求解了应力和位移的解析解.在求解过程中,构造了一个含待定系数的应力函数,通过Airy应力函数解法,给出了应力和位移的表达式.对固支端边界条件采用两种处理办法,利用应力和位移边界条件,确定应力函数中的待定系数,得到了应力和位移的解析解结果.结果表明,该解析与由Nastran程序计算的有限元数值结果相比,解析解落在有限元数值的附近,两者较为吻合.该解析解对于跨高比较大的梁有较高的精度,并可退化到各向同性梁的结果.     

荷载与温度耦合作用下隧道截面形状对衬砌结构力学性能的影响

为研究隧道不同截面形状对衬砌结构力学性能的影响,采用荷载-结构法建立隧道衬砌温度场计算模型,并根据双正弦函数叠加气温变化模型,分析了圆形、矩形、直墙圆拱形和椭圆形等衬砌截面的温度场分布特征;以隧道衬砌混凝土损伤塑性模型及顺序耦合应力法为基础,分析了隧道衬砌在围岩荷载与变温耦合作用下不同隧道截面形状的衬砌受力特征及位移变化规律。结果表明,隧道空气温度变化对衬砌结构应力影响较大,衬砌应力随温度变化呈正弦变化趋势,但对衬砌位移影响较小;在相同的计算参数、初始条件及边界条件下,不同的隧道衬砌截面形状对衬砌受力、位移、产生时间与位置均有较大影响;从受力状态及结构安全性看,圆形和椭圆形截面是较好的衬砌截面形式。     

线性分布载荷作用下功能梯度简支梁弯曲解析解

针对线性分布载荷作用下,材料属性在厚度上任意变化的功能梯度简支梁弯曲问题,利用应力函数法,对其解析解进行了研究.首先引入了一个应力函数Φ,根据平面应力状态的基本方程,得出了功能梯度梁的应力函数应满足的偏微分方程,并根据应力边界条件得出了应力函数及各向应力的表达式;进而根据功能梯度材料的本构方程和位移边界条件,得出了结构应变和位移的分布.通过将本文的解析解与有限元仿真结果进行对比,验证了计算结果的正确性;并求解了材料组分呈幂律分布的功能梯度梁的应力和位移分布,得到了上下表层材料的弹性模量比λ与组分材料体积分数指数n对应力和位移分布的影响.     

基于有限元法的光电经纬仪主镜轻量化设计

对某光电经纬仪主镜的结构进行研究,了解主镜的支撑方式,分析了光轴不同指向时,镜面的面形变化(PV值、RMS值)规律.在对实体镜进行分析的基础上保证其支撑条件不变,对主镜进行轻量化设计,计算其轻量化率、PV值及RaMS值,比较两种轻量化结构,并研究镜面面形随镜面厚度的变化规律.分析结果表明,结构Ⅰ的轻量化效果较好,符合设计要求,研究发现,随着镜面厚度的增加,PV值和RMS值逐渐减少.     

多工况结构设计的两相优化法

本文讨论了桁架优化设计的最大总应变能准则和位移、内力的可实现性,证明了最小范数内力组是可实现的。根据最大总应变能准则第二类失效的制定条件,利用应力符号约束和最小应力约束来避免优化过程中准则的失效,从而将结构设计的两相优化法推广到多工况问题。此法适用于具有应力约束、位移约束和尺寸约束的桁架结构优化设计,一般情况下不需结构的力学分析或重分析,每次迭代仅需解一个低维线性规划,因此能较简便地得到结构的最轻或近似最轻设计。     

基于拓扑优化的金属反射镜设计及增材制造

为了满足金属反射镜高刚度、轻质化、非球面等实际使用需求,采用拓扑优化方法对金属反射镜镜体及支撑结构进行一体化设计.优化目标是结构柔度和一阶固有频率的加权叠加值最小化,约束函数是体积分数的上限.最终获得半封闭式支撑结构的反射镜构型.在完成几何提取和重建后,形成最终的CAD模型.借助COMOSL软件对该模型的静态刚度及固有频率进行分析,仿真分析结果显示此反射镜在重力工况下的最大RMS值为19 nm,一阶自然频率为1 705.2Hz.随后采用增材制造技术对该反射镜进行制备,验证了方法的有效性.     

超大跨度自平衡预应力索杆球面网壳结构的设计与分析

目的为实际工程应用设计具有空间刚度的自平衡预应力结构单元.方法结合已有的大跨预应力网壳研究结论和自平衡结构体系的特点设计结构的网格尺寸、高度和厚度,利用ANSYS大型有限元分析软件进行结构计算和静力分析.结果经过合理的构件截面设计,在外载作用下,结构最大的拉索应力为1382.1 MPa,最大的压杆应力为-254.58 MPa,最大竖向位移为-1.66 m;结构内力和变形都在允许的范围内,且无杆件失稳现象.结论单元拼装式自平衡预应力结构在超大跨度空间结构应用是可行的,设计应综合考虑网壳厚度、预应力值、索杆截面变化引起的索杆应力变化.     

约束边界和销轴简化对液压支架强度影响

为准确分析液压支架在顶梁扭转加载试验时的强度特性,以ZY6800/08/18D型液压支架为研究对象,采用整机建模的方式,建立了液压支架的三维实体有限元模型.根据液压支架试验的测试结果,选取仿真模型上的测点位置,分析对比顶梁和底座在8种不同的约束边界条件下,液压支架的应力分布情况,同时分析带摩擦的接触边界条件下底座和平台的接触应力分布及接触状态,指出顶梁扭转加载时的载荷不对称导致的底座不完全接触的现象.在不改变顶梁和底座约束边界的条件下,分析4种销轴连接简化方法对液压支架整体应力分布的影响.对比仿真结果与测试结果,分别评估各种边界条件和不同销轴连接简化方法的准确性,以及对仿真效率的影响.结果表明,液压支架的顶梁边界选择固定支撑,底座边界选择与工作台摩擦接触,保留销轴并将销轴与轴孔绑定接触得到的仿真结果最接近试验结果,且有较高的计算效率.研究结果可为液压支架设计过程中准确预估应力分布提供依据和参考.     

短屈服段屈曲约束支撑钢框架抗震性能研究

屈曲约束支撑滞回性能优异,大量应用于中心支撑钢框架结构,可极大提高钢框架的抗震性能.但已有研究表明,当屈曲约束支撑钢框架遭遇罕遇地震时,结构产生较大的残余变形,导致震后更换支撑困难.为此提出了短屈服段屈曲约束支撑,并将其置于钢框架中进行动力时程分析.结果表明,短屈服段屈曲约束支撑钢框架的最大层间位移角较传统屈曲约束支撑钢框架最大降幅在10%左右,减小结构的残余层间位移角可达30%以上;在保证结构安全的同时,很大程度上提高了结构在震后的可修复性和遭遇二次地震时的可靠性,并且随着结构刚度的增加,额外的地震荷载几乎全由屈曲约束支撑承担,并不会给框架增加负担.     

环冷机台车热结构耦合分析

为消除环冷机台车体的热膨胀和热应力对环冷机运行及结构所造成的问题,本研究以国内某钢铁企业环冷机台车体为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件,采用直接热力耦合方法,对环冷机台车在稳定工作过程中的温度场、应力场及位移量进行仿真计算和分析.计算过程中考虑了烧结矿及冷却空气与台车体的热交换,并且考虑了各种位移约束.研究结果表明环冷机在稳定运行的过程中台车体的最高温度达到151.1℃,出现于台车体外侧梁端面上,台车体的最大等效应力点位于内侧端面的轴端位置,数值为188 MPa,台车体内侧端面最大位移量约2.7 mm,台车外侧端面的最大位移量约为2 mm.     

热力耦合试验中仿型橡胶皮囊拟静力加载分析

在回转体结构飞行器热力耦合试验中,试验件载荷加载有多种方式,需要考虑试验件结构的特殊性,并要达到试验预期的局部载荷加载效果.试验采用了仿型橡胶皮囊加载作为加载方式,通过Catia软件建立了仿型橡胶皮囊三维结构模型,利用Ansys软件得到了仿型橡胶皮囊的变形与应力分布.结果表明:在仿型橡胶皮囊内压为0.4 MPa的工况下,皮囊最大应力为0.08 MPa,最大变形为0.08 mm;随皮囊内压增大,皮囊大端与小端的边缘均产生应力集中,且小端的变形较大,易发生变薄、裂痕甚至破损等结构性破坏,应对该位置进行加厚处理;支撑工装内仿型橡胶皮囊拟静力加载应力分布均匀,满足试验需求.     

BRB-钢管高强混凝土结构的抗震性能分析

为了研究屈曲约束支撑-钢管高强混凝土框架结构在多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能,结合我国抗震规范,利用通用有限元分析软件SAP2000对设置了屈曲约束支撑的三层钢管高强混凝土框架结构进行静力弹塑性分析,得到了该结构在地震作用下的能力曲线、层间位移、顶点位移和塑性铰分布情况等相关参数,并对其抗震性能进行了分析.结果表明,框架中设置的屈曲约束支撑可有效提高钢管高强混凝土结构的抗震性能,满足结构抗震性能的要求.     

剖分环式快开门压力容器的有限元分析

为了研究剖分环式快开门压力容器的应力分布规律,识别其应力集中区域,找到此类压力容器的易破坏区,利用有限元分析软件ANSYS,整体分析计算了内径为560mm的三瓣式剖分环快开门压力容器.为减小计算量,根据该结构轴对称性,建立了三分之一的三维实体模型.根据实际情况限定边界条件为：在容器内施加45MPa内压,对称面上施加对称约束,容器底部施加固定约束.经过非线性分析计算,求出该结构的整体应力分布云图,得到整体结构和剖分环、平盖、筒体的应力集中区域及其应力分布规律.然后,采用分析设计标准JB4732-95对该压力容器各个组件的危险截面分别沿轴向和径向进行了路径评定,评定结果显示所选的结构设计合理,强度符合设计要求,对同类结构的设计制造具有一定的参考价值.