塔式太阳能定日镜子镜面形精度和聚光性能评价的新方法

应用自行研制的基于法线测量原理的定日镜子镜面形检测系统,检测了用于100m2定日镜的1.5625 m2的正方形子镜,并基于能流分布仿真分析方法对子镜面形精度和聚光性能进行了评价.这种评价方法是采用激光束偏转测角法获取被测子镜的法线数据,用计算机仿真方法,对入射阳光进行光线追击,可以分析出子镜在任意时空位置的聚光性能.经与实际聚光光斑能流测量数据比对,检测分析数据与对实际日光跟踪聚光数据实测数据一致,可应用于子镜面形的在线调整.     

单镜支撑结构对镜面面形影响的接触有限元分析

单镜支撑技术是影响光刻机光刻精度的关键因素之一。为了分析某光刻物镜单镜支撑结构对镜面面形的影响,采用接触有限元分析的方法对某光刻物镜系统单镜支撑结构进行分析。由于单镜还受到预紧力和夹紧结构的影响,分析时建立预紧力大小不同,夹紧结构刚度不同,支撑结构刚度不同的有限元模型,计算镜体的自重变形,并由此计算镜面面形的峰谷值(PV)、均方根值(RMS)。分析结果表明,当支撑结构特征尺寸D≥0.6 mm时,镜面面形精度对支撑结构特征尺寸D的稳定性最好,这为以后不同口径光刻机物镜系统的单镜支撑技术提供参考。     

空间长条形反射镜背部三支撑点的设置

采用背部三点支撑方式的空间光学遥感器长条形反射镜目前尚无普遍适用的支撑点设置方法,只能对某一确定尺寸和长宽比的反射镜进行专门设计。本文提出了基于规则模型的、以参数化模型为核心的集成参数化设计方法,并建立了长条形实体反射镜背部三点支撑集成参数化模型。在集成环境中通过试验设计、响应面分析等方法对设计参数进行了分析和优化,结果表明在轴向重力工况,镜面面形峰谷(PV)值优于λ/10(λ=632.5nm)的设计要求下,长条形碳化硅反射镜背部三点支撑的最大适用尺寸为1m。文中给出了最优支撑点布置,并确定了厚径比最优为1/10。最后,对集成参数化分析方法进行了精度分析,结果显示该方法整体误差为6.13%。提出的方法确定了空间长条镜背部三点支撑的适用范围,提供了支撑点最佳布置,为空间相机不同尺寸要求的长条镜设计打下了基础。     

大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。     

暖风芯体水室装配机支撑结构的有限元分析及优化设计

某暖风芯体水室装配机的支撑结构存在刚度不足的问题。提取出由两个零件及其螺钉连接组成的装配体作为分析对象,以梁单元模拟螺钉连接,用ANSYS软件对模型进行有限元分析,改善了局部结构和约束条件;对模型中螺钉个数、支撑条厚度和主板厚度等三个参数进行优化,最终使支撑结构的最大变形由0.950mm减小至0.196mm,达到了设计要求。优化方案已成功应用于生产实际中,此分析过程对含有螺钉连接的装配体优化设计有一定的参考意义。     

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。     

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法.该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化.首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型.文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000 Hz,轻量化率达到86.0％.得到的结果验证了本文方法的有效性.     

大口径拼接式合成孔径光学系统设计

在三反消像散系统基础上,介绍了一种大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在对子出瞳波前利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上进行像质评估,以实现对拼接镜面的全面仿真和分析;用非序列面误差分析和分配的结果修改初始结构;通过高次曲面平衡象差,并在结构优化时使用较小F数的系统,增加结构对子镜的失调的误差冗余度,迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统,焦距44m,f/8,7子镜拼接,视场角达0.6°×0.06°,通过不断迭代,获得了较好的结构和成像质量。     

一种双面快速转向反射镜结构设计与分析

快速转向反射镜(FSM)也叫扫描镜,是空间通信、自适应光学等领域的关键器材之一,用以在目标和接收器之间调整光束方向。随着实际应用需求的多样化,国内现有的快反镜已越来越不能满足高端领域的需求。针对国内仅有传统的单面工作扫描反射镜研究的现状,从反射镜工作场合需要双面扫描的特定需求着手,设计出双镜面工作的反射镜结构与镜面支撑方式,选用压电陶瓷作为驱动器,分析并设计出在多角度具有良好柔性的柔性支撑结构与具有放大机构的底座结构,进而给出一种基于压电效应,从而实现快速倾斜的双面反射镜装置,最后运用有限元方法仿真分析对所提出的设计方法与结构进行验证。     

BP －PSO 算法对斗轮堆取料机四轮平衡梁的结构优化

针对斗轮堆取料机四轮平衡梁结构静力特性的复杂性和非线性,利用参数化有限元分析和BP神经网络,建立四轮平衡梁从设计变量到最大应力、最大变形、质量的映射关系。对建立的神经网络模型,运用改进的粒子群优化算法,在满足刚度、强度条件下,寻求支板、隔板的结构尺寸及布置最优,从而实现四轮平衡梁轻量化的目的。四轮平衡梁的结构优化仿真结果表明,四轮平衡梁自重减少25．36％,优化效果明显。     

硅镜轻量化结构优化与实现

为了保证在高的面形精度的前提下尽可能地降低硅镜的质量,通过对多种轻量化结构的分析与对比,确定了具体轻量化结构形式并对其进行了优化设计。通过计算机仿真分析证明了该优化设计方案的可行性,并采用超声加工方法实现了硅镜轻量化加工。试验结果表明：轻量化加工的硅镜镜体质量明显降低;虽然镜面精度有所降低,但仍能满足光学系统的设计要求。     

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%。     

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。     

小卫星空间跟踪遥感相机二维摆镜组件优化设计

根据某空间跟踪遥感相机光学系统特性和工作指标要求,为了达到节约空间、保证相机成像质量的目的,设计了一种适用于小卫星平台的二维摆镜,并对口径为300 mm的空间相机用摆镜进行了轻量化设计。以镜体厚度、切角大小、边缘厚度、镜面厚度及轻量化筋的厚度为设计变量,以面形峰值PV不大于63 nm和均值方根RMS不大于12 nm为边界条件进行了优化,针对单点支撑孔径的参数设计提出了一种将质量、面形峰值PV和均值方根RMS在一定平衡下尽可能小的多目标优化方法。最终优化的反射镜质量仅为0.84 kg,轻量化率达到76%。单点柔性支撑结构采用3个相隔120°布置的回形梁作为柔性铰链,与镜座采用一体化设计,结构简单,减少了摆镜组件的转动惯量,提高跟踪相机的响应度。对优化后的摆镜组件进行空间环境校核,摆镜在空间XY微重力工况下的面形RMS值小于6 nm,Z向重力、-50℃载荷及3.5 rad/s旋转惯性载荷条件下的面形RMS均小于12 nm,组件基频为326 Hz,最后对面形精度和摆镜定位精度进行了实验验证,证明了该方案的可行性。     

拼接子镜力矩促动器布局的优化设计

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形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。根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需的校正能力,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、彗差和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。     

空间反射镜结构轻量化设计研究

为提高空间反射镜的轻量化率,设计了一种新型空间反射镜结构。以空间望远镜次镜为研究对象,首先对实体镜坯进行了拓扑优化,根据材料分布结果建立了次镜初步模型;对初步模型进行了尺寸、形状联合优化,进而得到了一种新型次镜结构。其次建立了采用背部三角形轻量化孔的传统次镜结构模型,对其进行了尺寸、形状联合优化。最后将新型结构与传统结构进行了对比;对两种结构分别进行了重力释放载荷下的有限元分析,根据分析结果计算出了镜面变形的RMS值。综合镜体质量和RMS值数据来看,在两种结构的面形精度近似的情况下,新型次镜结构在轻量化率方面更占优势。     

大口径空间光学遥感器的碳纤维复合材料精密支撑构件的结构稳定性研究

摘要：为了研究应用于大口径空间光学遥感器中由碳纤维复合材料（CFRP）制成的精密支撑构件的结构稳定性,设计并研制了连接在主、次镜间的CFRP连接筒。对该连接筒建立等效力学模型、计算相关参数和确定铺层的合理形式,运用有限元法对连接筒进行分析计算,通过试验验证连接筒的结构稳定性。首先,由给定的主、次镜间角度变化量计算出连接筒前端面的最大挠度,根据实际载荷情况建立等效力学模型,计算连接筒轴向弹性模量,结合复合材料层压板理论,确定碳纤维铺层的合理形式。然后,运用ANSYS软件对有限元模型进行分析,计算主、次镜间的角度变化量和支撑结构的模态分布。最后,通过量级逐增的力学试验,采用光学测量的方法测量主、次镜间角度变化量,验证CFRP连接筒的结构稳定性。试验结果表明：主、次镜间角度变化量小于10″,CFRP支撑构件一阶基频大于75Hz。CFRP支撑构件满足主、次镜间角度变化量要求,具有较好的结构稳定性。     

汽车前轮定位参数运动特性分析及优化设计

以多刚体系统动力学理论为基础,利用软件ADAMS建立某型车多体动力学参数化仿真模型。通过改变结构参数、载荷等参数数值,分析前轮定位参数在不同工作状态下的运动特性。最后,以车轮跳动过程中车轮摆角最小、汽车行驶过程中前轮外倾角值接近0°为优化目标对前轮定位参数进行了设计研究。设计结果表明：该设计方法优于传统的经验公式设计方法。     

汽车前轮定位参数运动特性分析及优化设计

以多刚体系统动力学理论为基础,利用软件ADAMS建立某型车多体动力学参数化仿真模型。通过改变结构参数、载荷等参数数值,分析前轮定位参数在不同工作状态下的运动特性。最后,以车轮跳动过程中车轮摆角最小、汽车行驶过程中前轮外倾角值接近0°为优化目标对前轮定位参数进行了设计研究。设计结果表明:该设计方法优于传统的经验公式设计方法。     

建筑友好型Fresnel式聚光集热器结构的优化设计

现行的太阳能聚光型光伏光热一体化集热器,一般需要占用较大的空间,安装维护不便,难以与我国广大的普通建筑群有效结合。基于此,设计了一种小型Fresnel式聚光集热器,提出了光学效率评价方法,并根据实际应用需求构建了集热器的结构优化设计模型,基于年均光学效率最大化的设计目标,采用数值分析软件MATLAB对其各组件尺寸进行了优化。结合其紧凑的结构,易实现与普通建筑或厂房屋顶的有效结合,并可同时提供电能和热能。