单轴半蝶形柔性铰链在快速反射镜中的设计与应用

针对提高激光武器系统光束指向控制稳定精度的战术需求,设计了一款适用于光束指向快速反射镜的单轴半蝶形柔性铰链。首先,根据快速反射镜系统运动形式及功能需求,推演单轴半蝶形柔性铰链的物理模型;然后,采用基于卡氏第二定理的卡氏法简化并求解数学模型,并优化模型参数;最后进行有限元仿真与实验测试,并对单轴半蝶形柔性铰链机械谐振频率的理论计算、仿真分析以及实验测试结果进行分析比较。实验结果表明:单轴半蝶形柔性铰链工作方向机械谐振频率为165.29 Hz,满足设计指标要求。理论计算与实验测试结果相差1.3%,有限元仿真与实验测试结果相差3.2%。从而证明了单轴半蝶形柔性铰链结构形式合理,数学建模准确,为提高激光武器系统光束指向控制稳定精度提供了有力的支撑。     

倒圆角三角型两轴柔性支撑设计

为提高压电陶瓷驱动的快速反射镜的回转精度,对倒圆角三角型柔性支撑进行研究。首先利用卡氏第二定理推导出倒圆角三角型柔性铰链柔度和回转精度理论计算公式;然后建立倒圆角三角型柔性铰链和两轴柔性支撑的有限元模型,并进行仿真分析得出柔度和回转精度的仿真值。将仿真值与理论值进行比较,其结果表明,最大误差在8%以内,验证了所推导公式的准确性。对比直圆型柔性支撑,在保证柔度的前提下,倒圆角三角型柔性支撑的回转精度提高了40%,具有重要的工程实用价值。     

快速反射镜椭圆弧柔性铰链多目标优化设计

在快速反射镜柔性铰链优化设计中,为保障反射镜精度和稳定性,应尽量提高柔性铰链工作轴转动柔度和非工作轴转动刚度。以某快速反射镜的椭圆弧柔性铰链为研究对象,首先利用最小二乘法和积分思想推导了三个转动轴的转动柔度公式,与有限元法对比,二者最大相对误差小于6.8%,解决了矩形截面扭转柔度积分过于复杂的问题;其次基于改进的非支配排序遗传算法（NSGA-II）对三个转动轴进行了多目标优化设计,达到设计指标,所得最优解和求解效率较传统算法有了明显提高,其中Pareto解求解效率较多岛遗传算法(MIGA)提高了14.3%,较粒子群算法(PSO)提高了25%;最后对NSGA-II算法所得最优解进行了有限元验证,结果表明二者最大相对误差小于6.5%,吻合较好。     

新型混合柔性铰链柔度研究

提出了一种新型双曲线直圆混合柔性铰链。利用卡氏第二定理推导出双曲线直圆混合柔性铰链的柔度计算公式,并根据所推导的公式,分析了直圆半径、最小厚度和切割深度对其柔度的影响。同时采用实体单元建立双曲线直圆混合柔性铰链的有限元模型,对不同几何参数的铰链进行仿真分析,并对仿真解与解析解进行对比。结果表明:仿真解与解析解的最大误差在8%以内,证明了所推导公式的正确性;与不同形状的柔性铰链对比得出,双曲线直圆混合柔性铰链具有更好的转动能力和对载荷较高的敏感性。所设计的新型双曲线直圆混合柔性铰链更适用于快速反射镜支撑结构中,同时也为混合型柔性铰链的设计和优化提供了理论依据。     

空间相机快速反射镜的两轴柔性支撑结构设计

快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置,而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象,设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构,该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程,建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型,针对快速反射镜机构的谐振频率要求,选择了柔性铰链的主要结构参数,并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析,分析结果表明,快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz,而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上,证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性,加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台,对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测,检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。     

三自由度柔性镜框结构力学性能分析

为实现小型光学元件的柔性安装和精密调整,设计了一种三自由度柔性安装结构,并对其力学特性进行了理论研究。首先,从柔性镜框的工作原理出发,建立了柔性结构的力学模型,推导了模型的刚度表达式,并利用有限元分析方法进行了验证分析。然后,根据推导的刚度表达式分析了主要结构参数对柔性镜框力学特性的影响,并讨论了减小寄生运动的措施。最后,以通光口径为135 mm的平面反射镜为例,进行了柔性结构的设计计算和参数优化,并对其力学性能进行了仿真分析。验证结果表明:给定的参数范围内,刚度的理论计算和有限元分析结果的相对误差5.5%,表明所推导的刚度计算公式具有足够的精度,验证了理论模型与计算的正确性。同时,柔性镜框力学特性分析结果对柔性镜框的结构设计、力学性能分析和参数优化具有理论指导意义。     

万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有3.3的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。     

压电驱动微动平台结构的设计优化和仿真分析

采用双平行柔性铰链结构设计了一种二维微动平台,并计算了微动平台各方向的刚度。根据约束条件,建立了理论刚度数学模型;采用序列二次规划(SQP)算法对平台结构进行多目标优化,并通过MATLAB软件对数学模型进行求解;利用ANSYS软件对优化后平台的位移、刚度和固有频率进行仿真分析。理论计算和仿真结果表明,微动平台具有良好的静、动态特性。     

基于HyperWorks的汽车挡泥板结构拓扑优化设计

挡泥板作为汽车覆盖件的一种,其刚性要求不可忽视。基于有限元模态分析方法,得到了挡泥板的前六阶固有频率及模态振型。依据挡泥板的刚度设计要求,以第一阶固有频率最大化为目标函数,体积分数（质量）为约束条件,建立了结构优化的数学模型;利用HyperWorks对其进行了结构拓扑优化求解;根据优化结果在初始结构上布置了加强肋。挡泥板的第一阶固有频率从优化前的43.6Hz变为84.9Hz,提高了94.7%,体现了拓扑优化方法在汽车零件初始设计中具有重要的理论意义和实际应用价值。     

新型二维压电驱动微动工作台的设计分析

研究开发了一种新型压电驱动二自由度纳米级微定位工作台。文章采用静力学理论对微动工作台的运动副进行了建模分析，推导出直角平行板柔性铰链的刚度计算表达式。采用有限元分析方法，对柔性铰链和微动工作台的静、动态力学特性数值分析，并对微动工作台的模态频率进行了实验测试。理论分析、有限元计算和实验结果的一致性说明理论分析的正确性和数值分析的可靠性。     

空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化

针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。     

基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

设计了一种基于柔性铰链结构的光纤光栅加速度传感器,进行了结构理论分析,并构建有限元模型仿真分析了传感器的加速度传感特性。基于F-P滤波器构建了具有温度自补偿功能的光纤光栅加速度检测系统,并通过增加反馈控制电路,对F-P滤波器进行反馈控制,实现了系统的零点自温度补偿。对系统的特性进行了实验测试,结果表明:系统对加速度的连续激励信号和冲击激励信号均有良好的动态响应,系统的固有频率为380.0 Hz,动态响应范围可达65.6 dB,频率响应范围为10.0 ~240.0 Hz,灵敏度为236 pm/g,所设计的加速度传感器具有较强的横向抗扰能力,干扰方向灵敏度仅为工作方向灵敏度的3.5%。     

压电陶瓷驱动FSM三自由度柔性支撑设计

为了有效吸收反射镜偏转造成驱动点的横向位置偏差,保护压电陶瓷驱动器,抑制反射镜在非工作方向上的自由度,提高系统谐振频率,设计了基于压电陶瓷驱动的快速反射镜三自由度柔性支撑。首先根据压电陶瓷驱动的快速反射镜对柔性支撑的设计要求确定了由支撑杆与支撑片组成的三自由度四周式柔性支撑方案,再利用压杆稳定性理论与变形能法对支撑杆与支撑片进行参数设计,最后利用workbench对设计结果进行分析。有限元分析结果表明,直径1 mm、长度8 mm的柔性支撑杆的应用可以使压电陶瓷的剪切位移减少86.7%,柔性支撑片的应用使反射镜一阶模态为轴向平移振动,谐振频率为360 Hz,二三阶模态为反射镜两轴偏摆振动,谐振频率为420 Hz,而高阶模态在1 000 Hz以上。三自由度柔性支撑可以有效防止压电陶瓷受到剪切破坏,提高快速反射镜结构谐振频率,有利于提高系统闭环带宽。     

动态特性可调的微动平台优化设计

针对目前柔性铰链主要靠局部变形来工作,其存在应力集中,且微动平台的动态特性受材料特性、设计制造等误差影响,难以满足变工况条件下的高精密位移输出。基于应力刚化原理,采用对称布置的带倒角的弹片式柔性铰链,设计张紧力调节机构,实现微动平台的动态特性可调。采用COMSOL Multiphysics和MATLAB联合仿真对张紧力调节机构进行参数优化,让调节机构保持线性调节关系,使柔性铰链的应力分布最小化。结果表明,所设计的微动平台能够进行高度线性固有频率调节,与有限元分析结果相比,频率调节范围相差2.55%,在理论设计范围内。     

激光双法-珀干涉纳米测量系统总体设计

设计了一套集光、机、电为一体的新型纳米测量系统:以激光为光源、双法珀干涉仪及轻拍式探针为纳米传感部件、以柔性铰链机构的微动工作台为纳米扫描测试系统,并采用计算机数字PID实时控制处理;提出了通过测量双法珀干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法进行纳米测量的理论基础;理论分析了检测探针振动的方法;给出了基于柔性铰链机构的微动工作台的有限元设计新方法;设计了以电容传感器为精密位置反馈的PID闭环控制系统,解决了压电陶瓷等元件对系统造成的非线性影响;对系统误差进行了分析。     

单边抛物线形柔性铰链的计算与性能分析

提出了一种单边抛物线形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边抛物线形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元的方法对柔性铰链的解析公式进行校验,结果表明:有限元方法与闭环解析式的结果基本一致.并对单边抛物线形柔性铰链的性能进行分析,得出了结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过对双边抛物线形柔性铰链比较,分析了单边抛物线形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考.