长条形空间反射镜镜体及其支撑结构设计

为了满足长条形空间反射镜的设计要求,从结构材料的选择、镜厚比确定、支撑方式与最佳支撑点位置的选择以及镜体轻量化等方面进行了详细的镜体结构设计。设计了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足温度载荷与装配误差0.05mm工况下镜体面形精度的要求。利用有限元分析软件对反射镜组件进行分析,反射镜组件在Z向1g重力、4℃温升以及0.05mm强制位移三种工况耦合作用下的面形误差峰谷值PV为20.5nm,均方根值RMS为4.75nm,优于PV值小于λ10,RMS值小于λ50的设计指标。组件一阶频率141.83Hz,满足动态刚度要求。组件分析结果表明,反射镜及其支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

30m望远镜三镜系统初步设计与分析

为保证30 m望远镜(thirty-meter telescope,TMT)聚集的光线顺利进入各个终端设备,设计了一套适用于30 m望远镜的精密跟踪指向三镜系统.该系统包含有基于Whiffle-tree原理的三镜支撑系统设计和采用地平式结构的跟踪指向系统设计2两个部分.通过参数化建模手段,在ANSYS中建立了系统的详细模型,联合Matlab完成了98个主要工况下的静力学分析后,对镜面面形结果以及结构变形情况进行了统计总结.最后将面形误差引入到ZEMAX中,分析了三镜面形变化对光学调制传递函数的影响.结果表明:98个工况下三镜位置与理想位置最大偏差为1.28 mm,系统的第一阶谐振频率为15.1 Hz,各工况下三镜面形精度均满足指标要求.三镜面形误差对系统MTF影响较大,但通过主镜主动光学校正后可以明显提高成像质量,满足使用要求.通过分析可知,该方案能够满足30 m望远镜项目的需求.探索与解决巨型望远镜的这些技术问题能够大大提高中国在超大口径光学望远镜上的设计和制造能力,并为建设中国下一代巨型望远镜积累丰富的经验.     

中心支撑式铝合金反射镜组件优化设计

为了满足光学系统在复杂环境下具备高成像质量的要求,结合有限元手段和优化方法,设计了一种具有柔性环节的中心支撑反射镜组件结构。首先,从反射镜组件的材料选取入手,结合反射镜组件结构包络要求及理论计算结果,完成反射镜组件初始结构设计;其次,利用有限元方法,对反射镜组件模态和面形精度展开研究;最后,利用优化方法,以反射镜组件柔性槽尺寸及反射镜背部支撑厚度为设计变量,以反射镜组件一阶频率和镜面面形为优化目标,对反射镜组件初始结构进行优化设计。结果表明:优化后反射镜镜组件一阶频率为230.1 Hz;多工况下,反射镜反射面面形优于1/55λ(λ=632.8 nm),满足结构设计要求,可为成像光学系统反射镜结构设计提供参考。     

星载激光雷达望远镜主镜超轻量化结构设计

针对某星载高重频激光雷达整机系统小视场、轻量化、杂散光抑制及探测性能的需求,设计Φ400 mm望远镜主镜,选用SiC材料和背部三点支撑方式,以筋板式轻量化结构主镜为初始模型,采用拓扑优化和结构参数集成优化相结合的方法对主镜进行超轻量化结构设计,获得的主镜质量仅为4.4 kg,轻量化率达到80%。通过有限元仿真分析了主镜的静、动力学性能。结果表明:在径向重力作用下,优化后的主镜面形RMS为0.51 nm;在光轴重力作用下,RMS为4.9 nm; RMS优于λ/50(λ@632.8 nm);一阶自然模态频率为1 704.8 Hz,远大于1 000 Hz的设计要求。主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,为同类型星载激光雷达望远镜主镜的超轻量化结构设计提供了思路和参考。     

1.2m望远镜跟踪架结构设计与分析

为提高望远镜系统的响应速度,增加伺服系统的控制带宽,望远镜的结构刚度需要得到有效保证。首先,根据望远镜力的传递路径,选择双排角接触球轴承作为承载元件,设计了适用于1.2m望远镜的地平式结构。然后,在ANSYS中使用Matrix27单元模拟轴承结构,并建立了望远镜的详细有限元模型,以预测该系统的性能。最后,通过有限元分析、模态测试以及扫频实验获得系统的性能,并借助于流场分析,研究了风载对望远镜性能的影响。仿真结果表明,系统的一阶谐振频率可达21.3Hz,能够满足前期设计要求;模态试验结果显示,系统的一阶谐振频率约为18.5Hz;扫频实验结果显示,方位轴一阶谐振频率为20.8Hz,进而验证了前期分析的正确性。流场分析显示,风载对望远镜驱动电机的力矩输出能够产生影响,控制系统校正后扰动力矩大小约为3.4Nm RMS。仿真和实验结果证明1.2m望远镜轴系的设计方案合理,测试方法可行,能够达到预期效果。     

空间望远镜主次镜支撑筒结构优化设计

为研究大口径望远镜的性能与稳定性,针对主次镜支撑筒结构初始方案刚度不足、次镜镜架刚度偏低等问题,展开了详细分析,并采用无源结构拓扑优化的手段对其进行优化设计,获得了镜筒结构的主要传力路线、确定了结构设计目标.进而针对镜筒主要结构参数开展了影响因素研究,并详细设计了具体方案.结果表明:优化后质量为47.4 kg,径向变形与轴向变形分别为14.5μm与14.3μm;一阶模态为114.8 Hz.相比初始方案,质量提高了14.5%;径向与轴向变形量分别减小了34.3%和37.0%,模态提高了42.8%. 1 m口径主次镜望远镜支撑筒结构的优化设计提高了结构的整体性能..     

地平式望远镜像旋问题研究及消旋K镜设计

针对2m地平式望远镜系统的视场旋转问题,设计了K镜消旋方案。首先,通过对地平式望远镜物方视场旋转及像方视场旋转的分析,给出了K镜组件的消旋速度。其次,对K镜结构进行了详细方案设计,K镜子反射镜采用三点柔性支撑方式,避免在K镜装调过程中对反射镜面形精度产生影响。最后,通过仿真分析,K镜支撑结构具有较好的动态刚度,仿真实验中将柔性支撑与非柔性支撑结构进行对比,结果表明柔性支撑结构可以明显降低温度变化对K镜子反射镜面形精度的影响。     

新型车床主传动箱试验复模态研究

本文以复模态理论为依据,采用一点脉冲激振、三个方向多点拾振的方法,对新型分离箱体式高速车床主传动箱进行动态测试,并在HP5451C Fourier分析仪模态分析系统上进行数据处理和参数识别.试验结果,得到置信度较高的12阶三维复模态全部动态活动过程图象.通过分析12阶复模态,找出了上传动结构设计中存在的问题,从而为新型分离箱体式车床的研制提供了可靠的实验依据.     

卡塞格林激光发射望远镜系统结构的力学分析和优化

以卡塞格林望远镜系统结构为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS,对其结构进行静力和模态分析,研究系统结构的整体偏移和固有振动频率.检验出不满足设计要求的方案,并针对其不完善之处,提出新方案,最后通过有限元分析结果对比来进行选优,为整个望远镜的结构设计提供了可靠的依据.     

钠冷快堆蒸发器流致振动试验件可行性分析

钠冷快中子反应堆使用的钠水蒸汽发生器采用直管管壳式换热器结构,包括蒸发器和过热器2个组件。在蒸发器组件中,液态金属钠流经壳侧,并与管侧流动的水进行逆向换热。管侧流动的给水被加热为过热蒸汽过程中,经历沸腾与传热等过程,如果蒸发器组件结构设计不当,极易发生管束流致振动并诱发换热管疲劳破损,引起严重钠水反应,影响设备安全和反应堆正常运行。本文对钠水蒸汽发生器中蒸发器组件管束流致振动试验件进行可行性分析论证:采用相似分析方法分析与试验件设计相关的相似准则,初步确定试验件缩尺比例以及试验介质参数;基于相似分析将试验件与蒸发器组件原型样机对比,确定简化的模拟试验件基本结构形式;建立蒸发器试验件简化CFD模型,模拟分析其流场特性和换热管模态特性;论证10组简支的简化蒸发器组件流致振动试验件的可行性,为后续开展流致振动试验奠定基础。     

梁结构疲劳刚度退化对模态频率的影响

为了研究梁结构疲劳刚度退化对模态频率的影响,对预应力混凝土梁进行疲劳试验和动力测试,得到疲劳历程中疲劳刚度和模态频率的演化规律. 建立疲劳全过程变刚度有限元修正模型,并对其进行模态分析. 比较分析试验和模拟结果,讨论模态频率退化规律及疲劳刚度退化对其影响机制. 研究结果表明,梁结构模态频率具有类似抗弯刚度退化的三阶段衰减规律,表明疲劳刚度与模态频率退化存在映射关系;在疲劳作用下,第1阶频率的下降幅度最大,第2阶频率次之,第3阶频率的下降幅度最小;提出的变刚度假设在有限元模拟中运用良好,模拟结果显示第1阶频率模拟值的偏差基本在10%以内. 提出的疲劳全过程动力特性分析方法为梁结构疲劳分析研究提供了新思路.     

重型载货汽车车架结构模态分析

有限元模态分析方法是辨识车辆结构动态性能的一种有效手段,所以为得到重型载货汽车车架结构的动态特性,本文以板壳单元为基本单元,建立了车架结构有限元模态分析模型,并采用NASTRAN有限元分析软件,计算了该车架在自由状态下的模态参数.同时,分析了载货汽车车轮和传动轴的不平衡质量产生的激励,并对车架的结构动态性能进行了评估.结果表明,在不同的行驶速度下,车轮和传动轴不平衡质量激励频率与车架的一阶扭转振动频率、倍频、一阶横向弯曲振动频率及车架11～18阶振动频率接近,使车架易产生共振现象.该研究为进一步改进车架结构提供了理论依据.     

悬索管道跨越结构静动态有限元仿真

对大型悬索管道跨越结构静动态分析方法进行了系统的研究,以某悬索管道跨越结构设计方案为背景,按照实际结构特点,应用大型有限元分析软件ANSYS建立了三维有限元模型．对有限元计算模型进行静力、模态和风振反应的有限元分析．结果表明：静力计算中,悬索管道跨越结构各构件处于较低的应力状态．模态分析中,得到了结构的前二十阶固有频率．在模态分析的基础上,进一步对管桥进行风振分析．动态分析结果表明,结构加速度响应曲线与输入的数据趋势类同,主索上的应力响应峰值比较小,管桥的应力响应峰值明显增大．     

Finite Element Analysis of the 2 m Telescope Assemble

To improve the performance of the 2 m telescope, the optimum design is applied to the telescope assemble. Referring to the telescope assemble with the dimetric truss, a group of reasonable sizes of the telescope assemble are found by optimization methods and modal analysis, which will raise the resonant frequency by 4.21 %. As a result, the telescope assemble is less likely to resonate. Besides, the dynamic response module in ANSYS is utilized to analyze the modal type, harmonic vibration response and random vibration response of the telescope assemble. By the calculation of ANSYS, finite dement analysis （FEA） method proves that the performance of the telescope assemble is mildly enhanced by means of optimum design.     

干式超声清洗头空腔结构声模态特性数值模拟

为研究干式超声波清洗头空腔结构的流场和声场特性，根据干式超声清洗头的超声波发声机理设计了通过流体间流体力学相互作用发声的3 mm腔体(小腔体)结构和通过流体与声学模态共振相互作用发声的10 mm腔体(大腔体)结构，采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对所设计的方腔展开数值研究。结果表明：两结构有着相似的流场特性，相同压力条件下小腔体的流激振荡更激烈；腔体内最大流速随压力的增大而增大，最大流速的增长率随压力增大而减小，不同的腔体在相同压力条件下最大速度、最大速度的增长率相近；两种结构均能产生超声波，其超声波发声机理与腔体尺寸相关，发声机理与预测值相符。研究表明，针对干式超声波清洗头的流道结构设计并不局限于流体间流体力学相互作用发声的小腔体，大腔体同样可以产生强烈高频超声波，这为干式超声波清洗头的结构设计提供参考。     

基于热分析的二齿差摆杆活齿传动中心轮模态研究

为了研究温度对二齿差摆杆活齿传动结构模态的影响,首先对二齿差摆杆活齿传动中心轮进行了温度场和热应力分析,然后在二齿差摆杆活齿传动热-结构耦合分析的基础上对中心轮进行了模态分析,将不同工作状态下的模态分析结果进行比较,分析温度场对摆杆活齿传动中心轮模态的影响。结果表明：由温度变化所引起的材料力学性能变化对各阶固有频率影响的程度不同,由热应力引起的固有频率变化小于由材料力学性能变化引起的固有频率变化。分析结果符合实际工况,为二齿差摆杆活齿传动的振动可靠性设计及动态特性研究提供了理论依据。     

3ZX平面铣床横梁有限元分析及优化研究

利用有限元软件ANSYS对铣床横梁结构进行静力及模态分析,由分析结果可知,导轨安装面Y向位移较大,且第一阶固有频率较低,因此需要对横梁结构及筋板布局进行改进.在多载荷工况下利用拓扑优化方法确定横梁筋板的合理布局.通过调整横梁局部参数并进行对比分析可知,当横梁上拱形高度为150 mm时,横梁导轨安装面变形较小,静刚度提高约62%,低阶固有频率均高于机床工作频率,从而避免了加工过程中共振的产生.优化结果可为横梁结构的合理设计及改进提供可靠的依据.     

钢管混凝土框架-剪力墙结构的抗震性能分析

针对钢筋混凝土剪力墙对钢管混凝土框架结构的抗震性能影响,采用SAP2000有限元软件对12层钢管混凝土框架-剪力墙结构进行模态分析和地震响应弹塑性时程分析,并结合12层钢管混凝土框架结构进行分析比较.结果表明:在不同地震波作用下,钢管混凝土框架-剪力墙结构的层间最大位移,层间最大位移角,水平向绝对加速度峰值等数值均小于钢管混凝土框架结构的数值,数值分析表明钢管混凝土框架结构能与钢筋混凝土剪力墙很好地共同作用,表现出较好的抗震性能.     

超高压电容器结构抗震性能分析

超高压电容器装置结构是电力系统重要组成部分,其上重下轻、阻尼比小的结构特点不利抗震.本文采用大型通用有限元程序ANSYS,对该结构进行了模态分析和谱分析,结构基频较低约1.02Hz.对结构在自重作用、X与Y向地震作用、X与Y向风荷载作用下进行计算分析,得出以下主要结论：各部件的最大应力均小于规范要求;台架梁的最大相对变形为1/2671,小于规范值1/400;结构满足8度抗震设防要求.