30 m望远镜的三镜Rotator组件轴承概念设计

针对美国30 m望远镜(TMT)三镜系统在工作时的特殊要求,对三镜系统的Rotator组件轴承进行了设计,提出了在载荷连续变化条件下轴系的设计方法.通过分析该系统独特的运动和受力方式并对比现有大型望远镜结构形式,确定了三排滚柱支撑的轴系方案及轴承结构参数.计算中将天顶角定义为变量,确定了轴承的最恶劣工况及此时的望远镜指向.采用了数值计算和有限元仿真的方法对这一条件下的轴承变形和应力同时进行校核,两种方法得到的结果符合得很好,证明了模型的正确性.结果表明,天顶角为0°～65°时,轴承在x、y、z方向上的变形不超过0.015 mm,轴承倾角不超过1.7×10-5 rad,满足设计要求,并留有很大裕度.     

30m望远镜宽视场光谱仪支撑结构选型研究

针对30 m望远镜宽视场光谱承载能力与轻量化程度低的问题,对于已有的桁架支撑结构方案,提出了宽视场光谱仪板壳支撑结构方案。建立了两者的有限元模型,分别从质量、变形、应力与基频等方面对铟钢桁架和铟钢板壳结构性能进行了评价,利用等刚度理论确定了碳纤维复合材料板壳结构的构件厚度,并与铟钢板壳结构的性能进行了对比。研究结果表明:碳纤维复合材料板壳支撑主结构质量为1.93 t,最大相对位移为0.286 mm,最大应力为30.94 MPa,基频为7.98 Hz,均满足设计要求,是宽视场光谱仪支撑结构的理想形式,对大口径望远镜光学仪器支撑结构选型与设计具有指导意义。     

30m望远镜三镜系统刚度分配与分析

为满足30m望远镜(TMT)三镜系统(M3S)对质量和刚度的要求,研究了合理分配该系统各部分刚度的方法。针对M3S的第一阶谐振频率不小于15Hz的要求,本文基于M3S的结构组成对模型进行适当地简化,然后使用前期设计数据建立了四质量点弹簧-质点模型。研究了三镜支撑系统支撑刚度的组成,使用特征值反解的方法得到了简化模型在6个广义方向上的刚度矩阵。最后,给出了系统中所有弹簧代表的刚度,并将这一简化模型和计算结果用来指导后期的结构设计和控制设计。使用运动学仿真软件Adams对分配结果进行了验证,验证结果显示,M3S各部分刚度配比合理,系统的基频能够达到15.1Hz,满足设计要求。采用本文的刚度分配方法,可以有效地提高系统设计的效率与合理性。     

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。     

基于机构条件数的30m望远镜三镜Stewart平台

从误差传递的角度研究了30 m望远镜（TMT）三镜大型Stewart平台的转动精度。首先,利用奇异值分析Stewart平台速度雅克比矩阵,得出机构条件数与支腿伸长量的关系。利用条件数与系统误差传递系数的关系推导出TMT三镜特殊运动形式下支腿伸长量误差与平台姿态误差的关系,并使用MATLAB优化平台结构参数得出一组优化解。然后,利用ADAMS对之前的理论推导进行仿真验证。最后,利用已知误差传递模型结合精度实验数据进行实验,辨识得出Stewart支腿伸长误差为均匀分布、动平台转动误差向量模为双峰分布。利用MATLAB进行模拟,模拟结果显示：假设支腿伸长误差为0到1之间均匀分布,动平台转动误差向量模的期望会由优化前的5.345 4×10^-4变为优化后的4.272 1×10^-4,优化量约为20%;转动误差分布的两个肩峰相互靠拢且向0点移动。     

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.     

基于运动学原理的三镜支撑设计及支撑位置优化研究

针对三镜支撑机构需要应对重力影响以及温度变形的问题,对三镜的支撑方法进行了研究,提出了一种基于运动学原理的支撑设计;对支撑点位置进行了优化,通过ANSYS上的优化分析模块,以RMS值为指标,优化出了支撑点的位置;对不同重力方向作用下的三镜面型进行了有限元分析,得到了重力方向与反射镜面型的关系曲线;利用ZYGO干涉仪对支撑前后的三镜面型进行了试验检测,实测重力作用下的RMS值为0.021λ,支撑后仅增大0.002λ。研究结果表明,该支撑方法通过令柔性三点底支撑与中心侧支撑互相解耦,能够减小重力作用或者温度变化时,因变形不协调而产生的集中应力,从而拥有良好的面型。该支撑方法是可靠的,优化出的支撑点位置是可行的。     

预紧式八翼梁次镜支撑结构的动力学分析

为了增加大口径望远镜次镜支撑结构的抗扭转刚度,降低次镜支撑结构对主镜的遮拦,提出了采用预紧力八翼梁结构来取代原有的四翼梁结构.根据Euler-Bernoulli梁理论将次镜支撑结构简化为一个由质量点和简支梁组成的简化模型,并进一步将该模型简化为两个更为简单的动力学模型的组合.通过选取恰当的振型函数,使用Rayleigh和Dunkerley方法推导了简化模型的第一阶模态频率数值解,得到的计算结果与有限元仿真结果吻合得很好.针对预紧力的作用,理论推导了预紧力对这种结构第一阶模态值的影响,并使用有限元法对这种结构进行了模拟,两者得到的结果趋势相同,大小一致,从而证明该简化方法可以用于类似结构的动力学特性计算.仿真结果显示,当预紧力施加到20kN时,结构的第一阶模态值由11.6 Hz上升到23 Hz,大大提高了结构的抗扭转刚度,并有效减轻了次镜支撑结构的重量和遮拦比.该结论对于大口径望远镜次镜支撑的设计具有参考价值.     

1m望远镜主反射镜的支撑和装配

考虑大口径光学望远镜中主反射镜的支撑精度直接影响光电探测设备的整机性能,本文根据光学系统对口径为1 000 mm的主镜的支撑精度要求和光电设备中主镜的使用情况,采用轴向和径向组合支撑的结构形式来完成对主镜的支撑,并通过有限元法对支撑位置进行理论分析和计算.实验显示,在轴向18点浮动支撑、径向3点柔性支撑的情况下,主镜能够达到较高的面形精度.针对传统装调工艺不能获得理想的面形精度,探索了新的主镜装调方法.用干涉仪对带有支撑的主镜进行实时测量并进一步进行修磨,使主镜在装配完成后达到λ/18的面形精度.该方法满足了本项目的指标要求,也为更大口径主镜的装调提供了一种新的思路.     

30m望远镜三镜镜面面形误差的斜率均方根评价

由于传统的均方根方法在评价大口径反射镜时难以精确表达光学表面的中空间频率误差,本文提出了基于斜率均方根(SlopeRms)的误差评价方法来评价光学表面面形。该方法先以Zernike多项式拟合光学表面面形,在此基础上求解不同空间间隔上的斜率均方根。这种评价方法可以很好地区分小尺寸磨削工具造成的误差和大口径反射镜在多点支撑下造成的面形误差。文中建立了SlopeRms的数学模型,推导了SlopeRms的计算方法,并以此方法为基础对30m望远镜(TMT)三镜面形进行了评价。结果显示,采用斜率均方根的评价方法得到的光学表面面形值达到0.9μrad,优于传统的RMS评价方法(RMS=115nm),满足设计要求。结果显示,基于斜率均方根的误差评价方法能更加全面和客观地评价大口径反射镜面形,具有实际意义。     

基于ANSYS Workbench的卷扬机抗震分析

为了验证秦山核电厂扩建项目+20m翻转平台卷扬机在安全停堆地震( SSE)作用下能否保证结构完整性和可运行性,采用有限元软件ANSYS Workbench对翻转平台卷扬机(包括起升机构、底架、卷筒等)进行了建模,并通过等效静力法对其进行抗震分析,得到结构对地震载荷的响应. 抗震分析所得结论表明,翻转平台卷扬机在安全停堆地震期间和之后,能保证结构的完整性,包括承压边界完整性以及卷扬机的可运行性,结构满足强度要求.     

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。     

基于ANSYS的钢塔架结构地震响应分析

利用大型有限元分析软件ANSYS,对钢塔架结构进行了地震载荷分析。依据有限元分析中的瞬态动力学分析,研究了钢塔架结构在承受随时间任意变化的地震载荷作用下的动力响应。研究结果可以为钢塔架结构的优化设计提供依据。     

基于核熵成分分析的光谱重建算法研究

对基于核熵成分分析的光谱反射率重建方法进行了研究,分别采用主成分分析方法和核主成分分析方法构建光谱反射率重建算法进行颜色重建研究,并与基于核熵成分分析算法的光谱反射率进行比较。实验结果表明,基于核熵成分分析的光谱重建算法在色度精度和光谱精度上均优于主成分分析和核主成分分析,对物体表面颜色的真实重建具有一定的应用价值。     

基于实际道路激励谱的摩托车车架随机响应分析

介绍了实际道路载荷谱的采集,并利用美国MTS公司的道路模拟试验机和远程参数控制技术(RPC)模拟迭代出接近实际响应的驱动信号.利用MD.Nastran有限元分析软件建立某摩托车车架动态分析模型.以迭代出的驱动信号作为模型的输入并进行仿真分析,得到了与道路模拟试验较为一致的结果.