超音速飞行器光学窗口气动压力载荷分析

为了提高光学窗口设计的可靠性与使用性能,对超音速飞行器进行了计算流体力学分析,得到27种飞行状态下光学窗口的气动压力载荷分布.通过有限元建模仿真,计算了窗口在各压力载荷状态下的应力和变形.通过分析变形对光学成像的影响可知,ZnS平板的两个变形面在光学上具有相互补偿的作用,因此,压力载荷下的变形对光学成像的影响可以忽略.为了使窗口设计满足使用强度要求,在最严酷的一种飞行状态下,分析了不同厚度ZnS窗口玻璃的变形和应力,当平板厚度为10mm时,能够在结构强度和质量之间达到设计的平衡.此分析结果对高速载体的光学窗口设计具有一定的指导作用.     

基于光纤传输的柔性红外光学成像系统设计

讨论了基于光纤传输的柔性红外光学成像系统设计方法,采用光学成像前置模块+光纤传像束+光学成像后置模块的分体式布局,通过合理的优化设计,实现光学孔径与制冷探测器的高效匹配.该设计方法减轻了伺服转动机构光学负载质量,压缩了光学负载的外形尺寸,扩展了光机系统柔性布局的新方式,通过该设计方法,配合伺服转动结构,可实现半球空域内...     

具备调焦功能的空间光学载荷支撑结构设计(特邀)

由于空间环境变化,高分辨率空间光学载荷在轨会产生不同程度的离焦从而影响成像质量,因此需要进行在轨调焦。为了适应高分辨率、轻小型空间光学载荷发展需求,设计了一种集支撑功能、调焦功能为一体的结构,通过热控系统对支撑结构温度的精准控制来调整次镜组件在光轴方向的位置,从而使载荷具备调焦功能。首先,根据光学系统参数进行调焦精度分析,确定支撑结构的设计要求;然后,基于连续拓扑优化中的变密度法(SIMP)进行支撑结构的全局优化;最后,开展了热光学试验,验证支撑结构的热控调焦功能并测量热控调焦系数。试验结果表明:该光学载荷支撑结构热控调焦系数为0.071 mm/℃,可实现0.014 mm调焦精度和±0.385 mm调焦范围。基于该调焦方法设计的“吉林一号”高分03星已经完成在轨测试,调焦精度和调焦范围满足设计预期。     

空间微型光学载荷主结构优化设计与试验

针对某微型光学载荷主结构质量过重,地面重力变形过大以及基频太低的问题,提出以质量最小、随机加速度响应RMS值为目标,基频、变形为约束条件,建立优化数学模型,并对光学载荷主结构进行拓扑优化设计。对优化后的主结构进行工程分析,结果表明,优化后主结构质量为12.5 kg,降低了68.71%;基频由优化前的11.18 Hz提高到268.7 Hz;最大变形为0.3 m;光学载荷安装位置随机加速度响应值放大倍率1.2,小于总体指标1.5;最后对主结构和其上端安装的光学载荷进行了力学试验、热循环试验,并对试验后的设备进行了性能检测,结果满足总体指标,证明了所设计的主结构具有良好的性能,同时该主结构优化方法有效可行。     

高精度二轴跟踪系统四通结构的设计与分析

根据高精度二轴跟踪系统的光学方案,设计了跟踪架中的四通结构。基于有限元法,应用MSC.Patran/Nastran软件对其进行了负载情况下的静力学分析;运用协方差法计算库德光路光轴偏角及各个反射镜镜面偏转。结果表明：只考虑四通自重和芯部静载荷情况下,俯仰角由-90°～+90°变化时,四通经轴线上的最大变形量呈正弦曲线变化,最大为3.19 μm,满足设计指标要求;由结构变形引起的库德光路光轴偏角最大为6.90″,满足系统精度要求。采用平行光管实测光轴偏角,与分析结果基本吻合,说明结构设计合理,分析所得数据正     

承载式激光通信光学天线

在保证一对多激光通信终端光学天线的成像质量前提下,为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题,提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计,保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析,结果表明:整机一阶模态151.54 Hz;光学天线前端可承载8.5 kg,后端面可承载13 kg;径向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS值（均方根误差）为/158、PV值（最大峰谷误差）/30,次镜最大倾角1.88;在（205）℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS为/65、PV为/14,次镜最大倾角1.21,该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量,可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置,使用ZYGO干涉仪进行测试,结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下,系统波相差RMS值优于/15的指标要求。     

某制导站天线的风载荷分析与典型估算

雷达的方位传动伺服控制系统负载主要有风载荷、惯性载荷和摩擦载荷，其中，风载荷为主要载荷。通常，设计阶段的风载荷只能通过估算获得。本文针对某型号制导站天线进行风载荷分析与估算，并通过极值法获得其最大风载荷。     

用于冷光学长波红外杜瓦组件杂散光分析与抑制EI北大核心CSCD

红外谱段(8~12.5μm)作为红外对地光学载荷的主要探测谱段,在对地遥感领域发挥着重要的作用。以红外成像仪载荷的杜瓦组件为研究对象,宽幅高分辨率红外系统的光机结构作为输入边界,分析了关键面对系统杂散光的影响。为了抑制杂散光和降低背景辐射,利用柔性波纹管隔热实现200 K窗口和窗口帽低温设计。进一步分析了杜瓦组件窗口、窗口外壳、冷屏结构及表面处理工艺等对杜瓦内部杂散光的影响。冷屏采用三级挡板设计,滤光片为三波段集成,同时在考虑装配和加工精度的情况下,冷屏和滤光片支架采用分离方式。卫星红外成像仪载荷在轨运行良好,成像效果较好。为杜瓦设计和加工选择提供了一定依据。     

光学镜片排布方式对机载光学窗口气动特性的影响研究

为了降低气动载荷对机载光学窗口的影响,并探究光学镜片排布方式对光学窗口气动特性的影响,设计了三种不同光学镜片排布方式的光学窗口,并对其模型进行了动力学数值模拟分析.研究了不同光学镜片排布方式对光学窗口气动特性的影响,得到了空气阻力最小、气动特性最优的模型.根据0°攻角工况下所受风阻的大小,对其结构力学特性进行了模拟分析...     

瞬态温度变化对大口径光学元件的影响

温度瞬变是影响惯性约束聚变(ICF)驱动器中大口径光学元件结构稳定性的一个重要的激励因素.采用多通道高精度温度监测仪对原型装置中编组站大口径光学元件环境温度进行了24 h监测,得到了编组站光学元件环境温度24 h温度变化曲线;采用有限元分析软件建立了光学元件的有限元模型,把温度监测结果作为载荷,对光学元件进行了热结构耦合分析.分析得到了大口径光学元件面形在24 h内的变化曲线,光学元件环境温度24 h内最大变化范围为0.45 ℃,24 h光学元件最大转角变化为1.12 μrad.分析结果表明,光学元件转角最大变化已超过打靶对光学元件稳定性的要求,但通过调整打靶时间,缩短光路准直之后打靶的等待时间可有效提高打靶的成功率.     

装夹方式及预紧力对透镜像差特性的影响规律

高精度光刻物镜中的光学透镜在自身重力以及装夹预紧力的作用下,面形会发生变化,从而会对光学系统各种像差造成影响。在考虑透镜自重的情况下,研究了镜片夹紧方式及夹紧力对其像差的影响规律。分别在镜片顶面和侧面施加2～6点均布、均匀载荷,且每种加载情况下夹紧力线性增大,通过有限元仿真计算出各种受力情况下的镜面变形;将变形量数据用66项标准Zernike多项式进行拟合,分析载荷均布点数以及载荷力大小对透镜像差的影响。分析结果表明:各种加载工况下透镜像差中的重要影响项皆为平移、离焦、球差和n-foil(n为均布载荷点数);重要影响项所对应Zernike多项式的系数变化与夹紧力变化呈线性关系。分析结果为补偿透镜像差提供了依据,并能指导像差校正的透镜设计。     

空间稳像系统摆镜设计与仿真

摆镜作为稳像系统核心部件,摆镜单元的性能参数和外载荷对摆镜面形的影响为摆镜设计和装配的主要约束条件。在设计约束基础上,对摆镜及其装卡结构材料进行了选择,对结构进行了轻量化设计。为考察外载作用对摆镜面形影响规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜组件进行了仿真,使用基于Zernike多项式的光机集成仿真方法消除刚体位移,得到了消除刚体位移后摆镜面形参数。仿真结果表明:外载作用下摆镜刚体位移明显;预紧力作用下刚体平移占据了刚体位移的主要方面;动力载荷作用下,当重力存在于光轴方向时,静力载荷对摆镜面形起主要作用,否则动力载荷对摆镜面形起主导作用。在仿真数据基础上,对摆镜零件进行了加工和装配,对装配后摆镜进行了面形测试,测试结果表明:摆镜面形能够满足设计要求,也说明了摆镜结构设计的合理性和仿真方法的有效性。     

陶瓷复合FR4结构界面形貌与导热性能

基于热电分离式设计理念,将AlN陶瓷片金属化后作为微散热器嵌入FR4材料内形成了复合散热基板.采用电镜扫描、光学显微,通过冷热循环冲击试验对FR4与AlN两相界面处在高低温突变情况下的界面形貌进行了分析.利用ANSYS软件对基板进行了仿真热模拟,研究了AlN嵌入后FR4导热性能的变化规律.利用结温测试仪、功率计和半导体制冷温控台等仪器设备,通过结温测试对比研究了该复合散热结构与金属芯印刷电路板(MCPCB)对大功率LED封装散热效果的影响.结果表明,该复合散热基板在经低温-55℃,高温125℃,1 000个冷热循环后,FR4和AlN界面无剥离现象发生,在环境温度急剧变化的条件下结合力良好.同时,FR4在嵌入AlN之后,导热性能得到了明显改善,且与MCPCB相比,能更有效降低LED芯片结温.     

Reliability of MEMS shallow arches based actuator under the combined effect of mechanical shock and electric loads

Critical issues for the development of MEMS devices are their performance, reliability and survivability when subjected to unwanted loads, such as when dropped on a hard surface. These active forces can lead to tremendous destruction in these tiny mechanisms, such as stiction and all related short circuit problems in MEMS devices. Investigating the reliability of micro-structures under mechanical shock loads is a challenging job, driven, in part, by the large deflections that exacerbate system nonlinearities, such as those due to geometric (such as mid-plane stretching) and also the actuating nonlinear electric load. The proposed work aims to establish computationally efficient approaches that are capable of analyzing the transient dynamics of bi-stable MEMS devices, such as shallow arches, to mechanical shock and electric loadings. This investigation aims to improve the understanding of how mechanical shock loads can deteriorate the bi-stability of MEMS shallow arches. To this end, a Galerkin expansion reduced-order modeling (ROM) will be exploited. The capability of the ROM in simulating the bi-stable dynamical response of such devices to the combined effect of electrostatic force and shock load is thoroughly studied and analyzed. The ROM is utilized to explore the effect of several design parameters on the dynamic response of initially curved microbeams to shock loads: such as the shock amplitude, the shock duration, the beam initial curvature, and the DC voltage. Universal curves for the snap-through and pull-in voltages thresholds versus shock amplitude for various values of the nondimensional design constraints of the ROM are generated. These curves will present valuable information about the interaction between the shock and electrostatic forces and how to utilize this interaction to build new devices and propose new technologies.     

某空间气体监测仪热设计及试验验证

某空间气体监测仪结构布局紧凑,在较小尺寸空间内交错布置有8个镜头组件、11台电子设备内热源和2个电机。内热源数量众多,工作时间长,与镜头控温要求差别大,且1个电机为二维转动热源,这些特点给热设计带来挑战。为有效解决热控难题,采用了多种设计思路组合。基于热管理思路对监测仪各部组件热行为进行系统管理,以节省热控资源;基于间接热控思路对所处热环境复杂的光学镜头组件进行控温,提高其控温精度和温度稳定度;对转动电机则进行辐射冷却,避免在传热路径中引入挠性转动环节,以提高热控系统可靠性;并基于结构热控一体化设计,在结构上充分保证热设计各项需求。热平衡试验结果表明:高低温工况下,监测仪各部组件温度均满足指标要求,且整个寿命周期内,光学镜头温度稳定度较高,同一工况下光学镜头最大温度波动在1℃以内,实现了多热源复杂工作机制下光学镜头的高精度精密热控。     

2m主镜主动支撑优化设计

结合某空间光学系统的任务需求,对其2m口径主镜的支撑难点作了详细的论述。为了使主镜达到光学设计所要求的面形精度,运用了结构有限元法和优化设计方法对主镜进行了支撑位置优化;并分别针对主镜轴向1 g 重力载荷、轴向1 g 重力载荷耦合1℃均匀温升两种工况,以主镜镜面RMS 为目标函数、力驱动器驱动力为优化变量进行了多参数优化。通过优化获得了最佳的驱动力组合,镜面RMS 分别达到19 nm、43 nm。该方法具有一定的应用价值。     

冲击载荷下航天用PBGA焊点的优化设计

从动力学角度考虑PBGA焊点承受不同加速度情况下冲击载荷的情况,对PBGA焊点尺寸建立了正交设计表。运用有限元分析技术对该表中各种因素和水平分别进行有限元分析,运用数理统计对正交结果进行分析,在现有尺寸结构上提出了最优化设计。对各种因素进行了显著性分析及比较,得出在动力载荷下,焊点直径、高度等参数对焊点可靠性的影响比焊点位置参数对焊点可靠性的影响要低得多。在动力载荷下,焊点位置、形状变为可靠性设计的主要考虑因素。并通过扩大参数取值范围得到二次正交设计表验证了其正确性。     

二氧化碳探测仪镜筒结构的多目标优化设计(英文)

为满足镜筒结构高强度、轻量化及良好的热环境适应性的要求,研究了多工况下同时考虑结构刚度和一阶固有频率的多目标优化问题。首先,基于变密度连续体结构拓扑优化方法,采用加权和法和靶向量法定义了多工况下多目标优化函数;然后进行了镜筒的优化设计。整个优化设计包括拓扑优化和厚度优化两部分。在拓扑优化中,以刚度和频率最大为目标函数,得到了满足要求的镜筒结构材料的最佳分布,并以此为依据,完成了镜筒结构的三维建模;以拓扑优化所得结构的柔度值和一阶频率为约束,质量最小为目标函数,对镜筒结构各厚度进行了优化。优化设计结果表明,镜筒质量由18.63 kg减少至12.46 kg;重力作用下最大变形由0.013 mm减少至0.001 9 mm;热载荷作用下最大变形由0.098 mm减少至0.062 mm;一阶固有频率从65.6 Hz提高至189.83 Hz。该优化设计方法有效缩短了设计周期,提高了镜筒结构的性能,满足了系统设计要求。     

排除力偏心影响的光纤力传感器

本文介绍了一种光纤测力传感器，利用两根多模光纤束传输光信号，采用一种特殊的结构形式，能够有效地消除力偏心对传感器输出的影响，另外，还介绍了温度补偿电路，包括光源驱动电路及光信号接收电路。     

The nonlinear dynamic response of microbeam of MEMS capacitive switch under mechanical shock

The microelectromechanical system (MEMS) capacitive switch based on clamped?Cclamped microbeam has garnered significant attention due to their geometric simplicity and broad applicability, and the accurate model which describes the multiphysical effects of MEMS capacitive switch should be developed to predict the nonlinear dynamic response of clamped?Cclamped microbeam. A improved macromodel of the clamped?Cclamped microbeam-based MEMS capacitive switch is presented to investigate the nonlinear dynamic response of clamped?Cclamped microbeam of MEMS capacitive switch under different mechanical shock in this article, the macromodel provides an effective and accurate design tool for this class of MEMS devices because of taking account into some effects simultaneously including midplane stretching effect, residual stress and different mechanical shock loads. A numerical analytical method based on multimode Galerkin discretization is presented to investigate the nonlinear response of clamped?Cclamped microbeam of MEMS capacitive switch under the different mechanical shock loads. The results show that using five or more modes can be sufficient to capture the nonlinear dynamic response of clamped?Cclamped microbeam, and the microbeam experiences a mechanical shock load as a quasi-static load or a dynamic load depending on the ration between the natural periods of the structure and the period or frequency of mechanical shock load. The proposed method gives the identical results to other numerical methods in the literature. Moreover, this method is straightforward to implement and could save computation efforts while not losing accuracy.