长条形SiC空间反射镜轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜结构刚度、面形精度的同时,最大限度的降低反射镜质量,成为各国新兴的、重要的研究课题。本文从材料、支撑形式、相关几何参数以及轻量化结构形式等方面对反射镜进行详细设计。提出了通过拓扑优化确定反射镜背部轻量化形式的方案。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 λ/10 PV,λ/50 RMS (λ=632.8 nm),PV值 7 nm,RMS值 1.68 nm,反射镜组件一阶固有频率 256 Hz,均优于传统结构形式的反射镜,能够满足应用要求。     

碳化硅反射镜轻量化结构优化设计

本文根据某型号碳化硅主反射镜的设计要求,对比了扇形、三角形、六边形轻量化孔对镜体静态、动态性能的影响,选择了综合性能较好的三角形轻量化结构方案,利用有限元方法进行参数建模,将对镜体力学性能和质量影响较大的镜体厚度、面板厚度、筋厚度等结构参数作为设计变量,运用零阶优化方法对镜体结构进行优化设计,得到了轻量化程度高、镜面变形误差完全满足设计要求的碳化硅反射镜体。     

长条型非球面反射镜轻量化及支撑结构优化研究

针对轻型光学空间遥感器的长条型非球面反射镜,首先进行了轻量化研究,然后针对支撑结构的初步设计方案,采用有限元法进行了静力学分析和计算,以对镜面面型精度的影响为评价指标,进行了有效的多次迭代优化,最终确定了满足要求的支撑结构方案。     

轻质长条形反射镜结构优化设计

为解决空间反射镜镜体质量和面形精度在轻量化设计过程中会引起相互冲突的问题,针对某型离轴三反光学系统的长条形主反射镜进行了结构优化设计研究,提出了一种基于SiC材料的中心支撑的轻量化结构,同时引入了多目标集成优化方法,以镜体质量(Mass)和面形(RMS)同时作为优化目标,得到一个反射镜最佳结构模型,其质量为2.32 kg,轻量化率达到了73.8%;然后,对反射镜支撑结构进行了结构设计和说明,并对该组件进行了仿真分析,在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的RMS值分别达到2.5 nm、2.2 nm、7.3 nm,4 ℃均匀温升载荷工况下的RMS值为3.2 nm,远小于设计要求的RMS≤λ/50(λ=632.8 nm),满足设计要求。     

一种新型轻量化振动反射镜结构

提出一种振镜的轻量化结构方案。为得到大刚度、小转动惯量的振动反射镜结构形式与参数,使用有限元法对不同结构形式参数振镜的自重形变进行计算。经过分析对比得出一种背面开孔封闭式空心圆台形镜体,其厚度为30mm,镜体背部开正三角孔并安装背板,筋肋厚度为3mm,背板厚2mm。与未经过轻量化的镜体相比,其转动惯量更小,刚度更优,且光学性能满足要求。     

空间反射镜新材料研究进展

传统的反射镜材料已满足不了反射镜大口径超轻量化的发展要求。碳纤维复合材料因其出众的性能优势,必将成为未来反射镜材料领域中的重要一员。综述了碳纤维增强SiC复合材料(C/SiC)、碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)、碳纤维增强碳基体复合材料(C/C)这3种具有巨大潜力的反射镜材料,并重点论述了这3种材料的性能特点、应用现状、制备方法及技术瓶颈等问题。最后展望了碳纤维复合材料在反射镜领域的发展前景。     

Φ1.05 m轻量化反射镜设计与制造

针对Ф1.05 m空间光学系统主镜的设计指标要求,提出了轻量化反射镜结构优化设计的新方法,并建立了反射镜结构自动化仿真分析与优化设计平台,基于此平台确定了性能优异的主镜结构设计方案。主镜重量小于50 kg,轻量化率已接近国外先进水平; 主镜在三球铰支撑下的第一阶模态频率为361.2 Hz,自由状态下的一阶非零模态频率为501.9 Hz; 在1 ℃均匀温度变化下,不去离焦和去除离焦之后的面形RMS分别为0.55 nm和0.10 nm; 主镜在30g过载加速度作用下的最大应力为16.1 MPa,均满足设计要求。采用目前最先进的第三代大口径反射镜加工工艺,路线为超精密铣磨—小磨头数控研抛—离子束精修,实现主镜面形误差的确定性去除。为保证面形检测结果的天地一致性,发展了重力卸载技术和面形误差数据后处理技术,剔除重力和其他系统误差对检测的影响。主镜最终面形精度达到0.011λ RMS,获得了高精度的光学面形,也证明了方案的合理性。     

空间桁架结构拓扑优化设计的线性规划方法

本文以杆件内力为设计变量,构造了多工况作用下空间桁架结构拓扑优化的线性规划模型,考虑了应力和位移约束,能够避免奇异最优拓扑和不稳定结构的产生。     

1.2 m高轻量化率主反射镜镜坯结构设计

如何进一步提升高性能米级空间反射镜轻量化率是大口径光机结构研制领域内的核心问题之一。本文为某高分辨率空间相机研制了通光口径Φ1200 mm的主反射镜,实现了面密度40 kg/m²的设计目标。碳化硅镜体采用凝胶注模成型及反应烧结工艺制备,将光轴水平状态作为检测状态以简化支撑结构,在半封闭式镜体内使用了主副筋交叉布置、立壁增加减重孔等轻量化手段,用分布式基准面取代传统基准设置,将基准面加工面积减少80%以上、提高了加工效率。通过参数化建模与集成优化,确定了镜体最优结构参数组合,最终镜体设计重量为46.9 kg。光轴水平时主镜自重变形RMS值仅2.87 nm,镜体自由基频为602 Hz,主镜具有良好的动、静力学特性。镜坯经机械加工后实测重量为51.3 kg、超重约9.4%,镜面厚度不均匀性小于1 mm,当前镜面已抛光至面形精度RMS λ/8 (λ=632.8 nm),未见印透效应。     

汽车动力总成悬置骨架的拓扑优化设计

以某商用车动力总成的悬置骨架为分析对象,基于变密度法建立拓扑优化的数学模型及其求解方法;运用有限元软件Hyperworks中的Optistruct模块将拓扑优化方法应用到该商用车动力总成的悬置骨架结构设计中,对单工况下的骨架结构进行优化设计。根据优化的结果并结合生产经验,设计出新悬置骨架的结构。最后用ABAQUS软件对悬置总成进行应力、变形和体积的计算。结果表明,经过优化的悬置骨架安全性能得到提高,重量减轻。     

轻质反射镜的制备方法及应用

总结了国内外轻质反射镜的研究现状,包括玻璃基轻质反射镜、SiC基轻质反射镜、金属基轻质反射镜及复合型轻质反射镜。详细分析和比较了轻质反射镜制备方法的优缺点。针对每种类型轻质反射镜制备方法的研究重点、发展方向和应用前景进行了展望。     

大口径光学遥感器主反射镜轻量化方案设计

合理的轻量化结构设计是降低大口径反射镜重量的实际而有效的方法,同时可以有效减少自重等对反射镜面形精度的影响.本文以口径为φ1200 mm主镜为研究对象,采用有限元分析作为研究手段,根据等刚度原则,结合实际工艺情况,设计了两种结构形式的主镜轻量化方案.根据有限元分析结果,确定基于反应烧结碳化硅(RB-SiC)工艺、背部半封闭结构、锥形后表面、采用扇形轻量化孔形式的结构方案为首选方案,并成功研制出了反射镜镜坯.     

空间天文仪器反射镜材料优化与应用研究

针对空间天文光学仪器反射镜材料的选择,论述了空间反射镜材料的优化方法,对比分析了反射镜材料的性能,并以空间太阳望远镜中的摆镜及Φ1m主镜研究为依托,建立了摆镜与主镜有限元模型,根据模型完成了反射镜材料的计算优化,得到了其力学及热分析结果.结果表明,反射镜的力学及动力学环境要求较高时,铍材最优,碳化硅次之;对于仪器温控范围较宽或对日观测时,微晶玻璃最优,碳化硅次之.根据反射镜材料优化结果,确定了以金属铍作为空间太阳望远镜中的摆镜材料,并进行了铍镜研制,检测结果满足技术要求.     

空间反射镜材料性能的研究

详细介绍了在不同温度下金属铝、金属铍、金属镍、碳化硅和几种光学玻璃等常用空间反射镜材料的热物理性能和机械性能,比较了各种材料性能之间的差异和利弊,讨论了确定空间反射镜材料的步骤以及需要考虑的相关因素.     

碳化硅轻型反射镜的研究进展

反射镜材料需具有低密度、高弹性模量、高热导率和低热膨胀系数.比较了不同反射镜材料的物理性能和机械性能,与传统光学材料对比,碳化硅具有优越的物理性能和热性能,被认为是轻型反射镜材料的首选.综述了碳化硅反射镜材料常用制备方法的特点.认为反应烧结法和热等静压法适用于制备SiC反射镜基体材料,化学气相沉积法适合用于基体材料增密和制备反射层,反应烧结法结合化学气相沉积工艺是制备SiC反射镜的高效低成本工艺.     

某星载遥感器第三镜组件热控罩设计与分析

第三镜热控罩是为第三镜组件而设计的粘贴加热片的载体。在设计方案选择时首先从热力学角度考虑问题,确定热控罩与第三镜的距离,然后对热控罩的材料和结构方案进行优选和设计,再利用有限元法对设计方案进行静力学、动力学及热力耦合分析验证。结果表明,热控罩无论在静力学还是动力学方面均满足设计和使用要求,设计方案合理可行。     

Lightweight design of bus frames from multi-material topology optimization to cross-sectional size optimization

A comprehensive solution for bus frame design is proposed to bridge multi-material topology optimization and cross-sectional size optimization. Three types of variables (material, topology and size) and two types of constraints (static stiffness and frequencies) are considered to promote this practical design. For multi-material topology optimization, an ordered solid isotropic material with penalization interpolation is used to transform the multi-material selection problem into a pure topology optimization problem, without introducing new design variables. Then, based on the previously optimal topology result, cross-sectional sizes of the bus frame are optimized to further seek the least mass. Sequential linear programming is preferred to solve the two structural optimization problems. Finally, an engineering example verifies the effectiveness of the presented method, which bridges the gap between topology optimization and size optimization, and achieves a more lightweight bus frame than traditional single-material topology optimization.     

大口径轻质镜支撑的有限元分析

根据轻质镜的工作状态,分别给出了一种平放时的和两种立放时的支撑方法。用Algor有限元软件对这三种状态进行应力和变形分析,并用Excel对节点变形进行处理,给出了镜面变形曲线,分析结果表明,三种支撑方法能够满足轻质镜的变形精度要求。     

大口径主反射镜支撑结构设计

大口径空间反射镜支撑技术是空间相机研制中的关键技术之一.从保证反射镜组件刚度、强度和热尺寸稳定性的角度出发,对某型卡塞格林系统中980 mm口径主反射镜支撑结构进行了设计.提出采用背部六点支撑,三点为主另外三点为辅的支撑方案,通过在支撑结构中设置柔性环节,从而解决了大口径主反射镜在自重作用下面形精度满足要求而在温变栽荷作用下面形精度严重超差的问题.利用有限元分析软件进行了主镜组件的静、动态刚度及热尺寸稳定性分析,并在分析的基础上对支撑结构中的柔性环节结构参数进行修正,在保证支撑刚度的同时降低了重力、装配应力和热应力对面形精度的影响.分析和试验结果表明,主镜在重力和4℃均匀温升载荷下面形精度达到PV<λ/10,RMS相似文献