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。     

智能桁架结构最优振动控制与作动器优化配置

研究了智能桁架结构最优振动控制和作动器的优化配置问题。首先采用有限元方法,根据Hamilton原理推导了智能桁架结构的机电耦合动力学方程,根据线性二次型最优控制理论,推导了结构振动控制的数学模型,通过最小化性能泛函,求解黎卡提矩阵代数方程确定了最优控制输入。然后通过对最优控制性能指标函数的修正,得到了与初始状态无关的性能指标,以修正的性能指标为目标函数,应用模拟退火算法对作动器位置进行了优化配置。最后给出了空间智能桁架结构振动控制算例验证建模过程和算法。算例结果表明,通过最优振动控制可以使结构振动快速衰减,达到振动抑制的效果,而且通过模拟退火算法可以确定最佳的作动器布置方式。     

光学元件挠性支撑结构广义建模及优化设计

建立了挠性支撑结构的力学模型及优化设计模型,以使光学元件挠性支撑结构同时满足元件定位的刚度要求和温度适应性的柔度要求,同时给出了相应的建模方法。考虑挠性支撑结构是由圆周对称分布的挠性单元组成的,故将挠性单元简化为超静定梁结构,应用虚功原理推导了挠性单元的径向及切向刚度。然后,假设光学元件为刚性体,根据力平衡条件及变形协调条件,推导了挠性支撑结构的整体刚度,并引入修正因子补偿了刚体假设带来的误差。最后,以挠性支撑结构总变形能为目标函数,推导了同时考虑挠性支撑结构几何构形及参数的协同优化设计模型,通过引入了整型变量将结构整体刚度简化为整型变量和离散刚度的线性组合,从而使优化模型中不含有谐波函数项。基于数值仿真和实验对结构刚度模型进行了验证,结果显示:实验、仿真和理论计算结果一致。此外,以透镜支撑为例,验证了挠性支撑结构的优化设计方法,有限元分析结果表明,透镜面形精度较初始设计提高了23%。     

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...     

音圈电机型快速反射镜的驱动控制系统设计

针对一种两轴四音圈电机驱动的快速反射镜,提出了一种驱动控制方法。该方法为每个电机配置一个高带宽的电流环,通过控制电流给定量的符号和大小,实现同一轴上两台电机的同步推挽运动;为了改善系统阻尼,抑制谐振,提高响应频率,基于快速傅里叶变换(FFT)谱分析的方法,精确测量了快速反射镜传递函数,并引入一个双二阶型校正函数,对快速反射镜的开环响应特性进行改善。实际测试结果表明:快速反射镜高达20 d B的谐振峰得到有效抑制,-3 d B响应带宽由校正前的118 Hz提高到177 Hz,稳定时间由原来的151 ms降低到3.5 ms,超调量由原来的83.3%降低到1.51%,快速反射镜的动态响应得到明显改善,证明了该方法的有效性。     

柔性压电智能反射面的静态形状控制

建立了柔性压电智能反射面系统的有限元模型和优化控制模型,给出了结构力学建模和形状控制方法以及相应的优化算法。首先,将蜂窝夹层结构的压电智能反射面等效为多层复合板;基于Kirchhoff假设和经典层合板理论,根据虚功原理推导了柔性压电智能反射面的有限元方程;采用蜂窝等效理论计算了反射面蜂窝夹芯等效弹性模量,有限元模型中的单元为四节点四边形压电板单元,每个作动器单元中引入额外的电势自由度。然后,根据建立的有限元方程,推导了反射面变形均方根误差与作动器控制电压的关系式;以均方根误差最小为优化目标,建立了柔性压电智能发射面的静态形状控制优化模型;采用Lagrange乘子法处理了压电作动器工作电压的限制。最后,用提出的方法分析已有模型并验证建模方法。以600mm口径的平面柔性智能反射面为例,验证了采用压电陶瓷贴片对反射面静态形状控制的可行性及优化算法有效性。仿真结果表明:通过控制压电陶瓷贴片作动器,可以使反射面的静态形状误差减小97%以上,而且作动器的控制电压均在极限电压范围内。     

大口径透镜柔性支撑结构设计与分析

柔性支撑结构在透镜热变形方向上具有可控的相对自由度,环境温度变化时,柔性支撑结构能够减小透镜与支撑结构间的热应力进而提高面形精度,因而广泛应用于透镜支撑结构中。为了解决柔性支撑结构的设计及性能评价问题,对柔性支撑结构建模方法进行了深入研究。首先,根据柔性支撑结构圆周对称特性,即由圆周对称分布的圆弧形柔性单元组成,将柔性单元简化为超静定圆弧梁,推导了柔性单元的径向及切向刚度。然后,假设透镜为刚体,根据力平衡条件及变形协调条件,推导了柔性结构的整体力学模型。最后,进行了有限元仿真和实验以验证提出的柔性支撑结构力学模型,理论模型与仿真及实验结果相吻合。此外,以300mm透镜为例,分析了支撑结构几何参数对透镜面形精度的影响及透镜的热应力分布,结果表明柔性支撑结构能够有效的降低透镜与支撑结构间的温度应力,进而提高支撑性能。     

光电设备载车悬架系统匹配设计与动态测试

为了提高光电设备载车行驶的平顺性和设备安全性,研究了载车悬架系统匹配设计方法。首先,在忽略油气/空气弹簧非线性特性条件下,推导了载车被动悬架系统的刚体动力学模型,得到了车身位移与路面输入之间的传递函数。其次,基于统计特性给出了随机路面的频域模型,并利用谐波叠加法对路面模型进行重构,进而得到路面时域模型用于仿真分析。然后,基于车体位移传递函数和路面输入模型,推导了车体均方根加速度的表达式,并采用定量分析方法对悬架系统参数进行匹配设计。最后,对悬架系统进行数值仿真,并对整个系统进行动态测试。理论仿真与实测结果基本一致,且均方根加速度值均能满足小于0.2g的指标要求,表明推导的动力学模型能够准确描述载车动力学性能。     

压电智能桁架结构的建模与最优振动控制

为了实现桁架结构振动主动控制,建立了智能桁架结构动力学模型和最优振动控制模型,对动力学建模和最优控制建模方法进行了研究。首先根据有限元理论和Hamilton原理,建立了智能桁架结构的机电耦合动力学方程,方程中含有与作动电压有关的耦合刚度矩阵,采用缩聚变换对动力学方程进行了简化,该动力学方程可用于机械/电荷作用下结构的静动力分析和控制系统设计。然后将推导的动力学模型变换为状态空间方程的形式,根据线性二次型最优控制理论,推导了结构振动控制的数学模型,通过最小化性能泛函,求解黎卡提矩阵代数方程确定了最优控制输入。最后给出了平面桁架结构振动控制算例验证建模过程和算法。结果表明,通过最优振动控制可以使结构振动快速衰减,达到振动抑制的效果。     

基于多体系统理论的光电望远镜误差建模分析

大型光电望远镜在空间目标探测和天文观测中发挥的作用越来越大,它的探测能力、指向精度是影响其发展的主要因素。首先分析了影响望远镜指向精度的各个误差,然后根据多体系统理论,构造望远镜拓扑结构,在此基础上建立其空间误差指向模型。根据得到的指向误差模型,分析研究了三轴误差对方位测角误差和俯仰测角误差的影响。区别于传统球谐方法,该误差指向模型更全面的综合了各项误差,对进一步的误差分配和误差补偿具有一定的指导意义。