1m望远镜俯仰轴系精度检测误差的修正

针对1 m望远镜俯仰轴系检测精度未达到系统指标,而系统运转性能优异的问题,研究了系统可能存在的可消除误差项.通过对影响1 m望远镜俯仰轴系精度的主要因素-中间体(四通)的有限元分析和运算,得出了四通在不同俯仰角度的变形曲线,并与实际检测结果进行对比,找出两者的相同特征并进行了补偿.按此方法使得望远镜俯仰轴系晃动误差PV值从2.42″降到0.95″,RMS值从0.7″降到了0.3″,提高了系统精度模型的准确性.推导出了设计过程中的检测指标,为更大口径望远镜轴系的设计和检测提供了理论依据.     

2 m望远镜塔台的构建

分析了国内外地基大口径望远镜的站址选择和塔台建设,对2m口径望远镜的塔台建设进行了研究。首先,讨论了望远镜的视宁度和塔台高度之间的关系,通过对该望远镜所在地的大气视宁度等因素的衡量,确定塔台高度为13m。然后,根据Φ2m级口径望远镜塔台建设的需求,建立了计算机仿真模型,采用有限元软件Ansys进行仿真分析,提出了一种载荷为30t的情况下,谐振频率达到30Hz,并且能够承受5级地震灾害和一定风载的塔台和地基建设方案。分别采用谱分析和随机振动的方法研究了设计的塔台在地震、风载等自然条件下的响应,结果证明该方案能满足Φ2m级口径望远镜的站址建设要求并对下一步开展的Φ4m级口径地基大口径望远镜的塔台和地基建设具有参考作用。     

拼接镜面望远镜的子镜室集成建模与分析

子镜拼接镜面技术是新一代大型天文望远镜的关键技术,拼接镜面技术的发明,使天文望远镜的口径突破了镜坯材料的限制,大于8m口径的天文望远镜建造才成为可能。拼接子镜是拼接镜面望远镜中的关键光学部件,子镜室的性能直接影响子镜面型,对望远镜最终的像质有决定性的影响。针对拼接镜面子镜室的研究,包括关键元件的受力分析和裸镜的镜面面型分析,前人已做过大量的工作,但对于子镜室整体的有限元仿真计算,国内目前开展的却较少。首先简要介绍了下一代拼接镜面望远镜中子镜室的设计工作,利用Solidworks软件构造三维实体模型,并将其导入ANSYS/Workbench中开展了有限元静力学分析,最后讨论了支撑结构对子镜面型的影响。     

基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测

随着地基光学望远镜口径的不断增大,风扰动已成为影响望远镜成像质量最为关键的因素之一.为了深入研究风扰动对望远镜系统性能的影响规律及作用机理,从时域角度对望远镜在风扰动作用下的响应进行时程模拟以及系统性能预测.首先,简要介绍了望远镜结构组成并采用有限元方法建立了结构动力学模型,通过模态变换方法将动力学模型转换到模态坐标系...     

薄膜反射镜的成形控制

针对望远镜发射系统承载空间与承载质量的限制与大口径、高分辨率反射镜使用需求之间的矛盾,开展了轻质柔性薄膜反射镜地基试验研究,实现了静电拉伸式薄膜反射镜的精确成形控制.针对口径为300 mm的同心环分布式电极静电拉伸聚酰亚胺镀铝薄膜反射镜,基于泊松方程的薄膜小变形近似求解.并通过确定每环电极对面形的影响函数来确定分布式电极对反射镜薄膜成形的控制矩阵,进而利用最小二乘法求得了分布式电极对面形精确控制所需的分布电压.用ANSYS有限元分析法对比结果,分析相关误差并总结控制方法.结果显示,在薄膜中心变形量超过2.5 mm以后,基于泊松方程的理论求解和ANSYS有限元分析结果相差很大,计算面形与理想面形偏差也很大;认为只有综合运用数值计算和有限元分析,通过确定分布式电极对面形的控制矩阵,运用最小二乘法求解分布式电压,才能准确地实现薄膜小变形面形的预知和控制.     

基于结构函数的大口径望远镜光机系统误差分配

从结构函数的角度分析和研究了大口径望远镜光机系统的评价方法。分析了基于结构函数的系统误差传递特性,利用功率谱反演得到大气扰动的数值模拟,并建立了基于结构函数的系统误差分配方法。将本文的方法应用于长春光学精密机械与物理研究所的1.23m口径望远镜进行了实验验证,结果证明了提出理论的正确性以及方法的可行性。最后将其应用于30m望远镜(TMT)三镜系统,研究了其在大气湍流下的印透效应,实验表明其在考虑了不同的视宁情况下,分辨印透峰的能力没有减弱。本文的研究对提高大口径望远镜的性价比,降低大口径望远镜在研制和使用过程中的技术风险颇有意义。     

大口径光学望远镜次镜结构的设计

论文针对大口径光学望远镜次镜结构设计的任务要求,提出了一种次镜筒结构的改进方法.在设计中采用有限元分析的方法,应用NX软件建立起新结构的静力学分析模型,进而确定了次镜支撑的结构形式,并对支撑梁的参数进行了分析.分析结果表明,经过分析改进后的系统静力学与动力学性能显著提高.     

GS5200龙门五面加工中心横梁部件动态特性分析

针对GS5200龙门五面加工中心的横梁关键部件,通过建立三维有限元模型,在考虑重力和切削力作用下,计算出横梁部件的静态变形;利用有限元分析软件对该部件进行模态分析和动力响应分析,得到系统固有频率和各阶振型图,并进一步分析了结合面参数变化对横梁滑箱系统整体动态特性的影响,找出影响部件动态性能的薄弱环节.     

发射望远镜的设计与装调

根据发射望远镜的结构特点,设计了口径为270mm的梅逊反射无焦卡塞格林式发射望远镜并对其进行了装调与检测以满足激光发射及激光准直性的要求。基于光学原理确定了同轴反射式光学结构的设计方法和系统参数。用有限元分析方法对比桁架式与圆筒式主支撑结构以及三翼梁和四翼梁次镜支撑结构在不同工况下的变形,选定桁架式三翼梁支撑结构用于该望远镜。通过设计适当的主、次镜装调结构,配合干涉仪和自准直平面镜,分析了次镜偏心引起的系统像差,得到灵敏度矩阵并用于系统的装调和检测。得到的结果显示系统的波前误差RMS为0.146 7λ,PV为0.73941λ(λ=632nm)。检测结果表明,桁架式结构的镜头能满足发射望远镜系统对像质的要求,可实现激光发射并保证激光的准直性。     

大口径望远镜风载分析综述

随着大口径望远镜研究的深入,风载对于望远镜的影响也越来越受到重视。为了更加全面、系统地研究风载对于大口径望远镜的影响,分别对于3种主流的风载研究分析方法进行了阐述。这3种方法分别为:功率谱研究方法,流体软件分析方法(CFD);以及数学建模外加实验修正的方法。对于功率谱方法,分析了风压谱都与统计学模型的差别,需要具体的建模与分析;对于流体软件的分析方法分析了其建模的精度问题。研究结果表明,通过谱方法以及流体软件模拟分析可以作为大口径望远镜的建设过程中的初期判据,在实际的建造过程中,需对于实际系统的风载响应进行测试。     

1.2m望远镜次镜支撑结构设计

研制了一个用于1.2m望远镜的次镜支撑结构,以满足其对刚度和伺服系统带宽的要求。首先,对影响主镜遮拦和支撑系统刚度的四翼梁进行研究。使用动力学建模方法,初选四翼梁结构的参数。然后在ANSYS中建立有限元模型,进行静力学和模态分析。最后,使用试验模态分析法测试设计的支撑结构。有限元分析显示,设计的结构受重力影响会引入0.004 2λ的切向彗差,第一阶模态频率约为57.2Hz。试验模态分析显示,系统第一阶谐振频率为54.1Hz,与理论分析和有限元分析结果一致。实验结果与仿真结果对比后显示:归一化的振型向量中叶片结构振幅较小时,实验模态较难提取,且实验结果略小于有限元分析结果,最大相对误差约为7%。设计的次镜支撑结构遮拦小、刚度好,满足使用要求。     

拼接子镜力矩促动器布局优化设计

为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用,以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差,一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面型实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜,对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。首先根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需校正能力,通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模,最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明,采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差、三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说,18个力矩促动器的方案在满足光学设计需求的同时,有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。     

大口径主镜位置的实时检测

由于望远镜主镜位置的调整与主镜位置的实时监测相关,本文设计了基于位移传感器的主镜位置监测系统。重点考虑镜室重力变形的影响,利用解析几何方法得到了解算主镜位置的算法。以实验室的1.2mSiC主镜作为试验镜进行了主镜位置实时监测试验。在主镜绕支撑架做俯仰转动时,通过布置在主镜背部和侧向的6个位移传感器,实时采集测量数据,并利用有限元方法计算镜室的变形;最后将镜室变形作为系统差和传感器测量值代入解算算法,得到主镜沿X、Y、Z三向平移、绕X、Y轴转动角度及主镜半径随温度变化值。测试结果显示:该试验主镜的支撑系统中的轴向支撑刚度远大于侧向支撑刚度。当镜室转动45°时,主镜的Z向平移变化只有20μm,而X向平移和Y向平移分别为146μm和100μm。试验结果验证了提出的实时监测方法和监测系统的准确性,为大口径主镜实时位置校正提供了依据。     

基于改进模糊综合评价法的射电望远镜可靠性评估

射电望远镜的可靠性问题广泛存在于射电望远镜设计、制造、正常工作等整个全寿命周期,对其子系统进行可靠性评估与可靠性指标分配是射电望远镜设计阶段的关键步骤。文中从射电望远镜的可靠性评估与可靠性指标分配出发,提出了一种基于粒子群优化层次分析的模糊综合评价模型,并基于此模型从多指标综合模糊评价角度对射电望远镜的子系统进行了可靠性评估与可靠性指标分配。可靠性评估分配结果表明射电望远镜子系统中可靠性评估最低的是主反射面系统,需要根据评估结果分配较高的可靠性指标并针对性地提高其可靠性以提高系统的整体可靠性。     

STRUCTURAL ANALYSIS OF THE REFLECTING SURFACE SYSTEM OF A LARGE ASTRONOMICAL TELESCOPE

The reflecting Schmidt plate system of the large sky area multi-object fiber spectroscopic telescope (LAMOST) serves active optical correction with a reflecting surface of segmented mirror. An azimuth-altitude mounting is adopted with two self-aligning ball bearings for altitude axis and hydrostatic bearings for azimuth. With static and modal analyses, finite element modeling of the full Schmidt plate system is discussed. Conventional seismic response spectrum has been adapted for particular application for telescope engineering before a seismic response spectrum analysis is performed, and results have confirmed that the design of the reflecting Schmidt plate manifests good performance and can survive the seismic intensity of up to 7 magnitude specified by technical requirements.     

四翼十字形中心支撑结构的动力学分析

四翼十字形中心支撑结构是大型望远镜中次镜支撑的典型结构,其动力学性能直接决定着光学成像视轴的稳定性和精确性。基于板壳理论,采用Rayleigh方法,通过选取恰当的振型函数,建立了次镜支撑结构的动力学模型。针对支撑筋板不同的结构参数,分别进行了数值仿真和有限元分析,二者规律相同,结果基本一致,认为该方法可以用于类似结构动力学特性的计算。     

基于有限元法的主镜底支撑的优化分析

如何确定镜子的最佳支撑方式，来保证最优的镜面面形精度，这在天文望远镜的光学成像系统中具有重要的意义。应用了有限元分析方法分析了镜面的变形，利用有限元分析软件ANSYS中高级优化模块(OPT模块)以镜面变形最小为优化目标对主镜底支撑进行了优化设计。以九点浮动底支撑的优化作了实例分析，并与传统经验法的计算结果进行了对比分析，结果表明文中所采用的优化方法具有较大的优越性。     

临近空间816mm口径望远镜复合支撑主镜组件设计

针对某临近空间望远镜高面形精度和0°~65°观测角度的要求,设计了816 mm口径的SiC主镜组件。依据经验公式和拓扑优化方法,完成了主镜的设计,基于大口径反射镜复合支撑原理、功能分配和指标分配以及解耦标准设计了主镜支撑组件,最后根据支撑结构形式和装配公差要求设计了主镜组件装配工装并制定了装配工艺流程。对主镜组件进行了静力学和动力学仿真验证,然后对主镜组件进行振动、面形检测和倾角等试验验证。试验结果表明,主镜组件在光轴水平,1 g重力作用下面形精度RMS值为0.019λ(λ=632.8 nm),反射镜翻转180°后的面形RMS为0.02λ;总质量为102.7 kg,基频为171 Hz,振动前后RMS值基本不变,与分析结果吻合。证明该主镜组件的设计与装调工艺的合理性,满足临近空间望远镜的设计要求。