大口径望远镜次镜系统的拓扑优化设计

针对地基大口径望远镜次镜系统加工精度和装调精度的要求，提出了基于拓扑优化的次镜系统结构设计方法。该方法利用变密度的拓扑优化思想，将次镜系统的Spider结构和Serrurier桁架的设计域限定为基结构，以期望方向的变形最小，通过材料的去留决定结构的最终形状和尺寸。首先，以相对密度为设计变量，Spider结构以1阶振型和重力方向变形为设计约束，桁架以X向和Y向变形为设计约束，建立各结构的拓扑优化模型；然后，以拓扑优化所得构型为基础，利用Workbench进行优化迭代；最后，设置优化参数，采用有限元法进行动静刚度分析和优化。结果显示4 m望远镜次镜系统的1阶谐振为22.7 Hz，光轴指向天顶和水平时重力方向偏移分别为-0.173 mm和-0.195 mm，并且Spider结构和Serrurier桁架的轻量化率超过30%。该结果验证了文中方法的有效性。     

临近空间望远镜次镜优化设计

根据临近空间球载望远镜高力热稳定性、高性能的要求，对其次镜组件进行优化设计。临近空间球载望远镜虽然没有火箭发射力学环境严苛，但是其独特的飞行过程受到温度变化、加速度等影响，同时由气球搭载升空，质量要求较为严格。相比于传统反射镜设计方法，采用实体优化和基结构优化相结合的方法，集成优化对镜体进行设计，引入综合评价因子优化次镜综合性能，最终次镜组件性能良好，说明优化方法有效。通过有限元仿真分析得次镜组件在重力和±3 ℃均匀温变工况下刚体位移小于3 μm，面形精度优于λ/50，在0.02 mm装配误差下面形精度优于1 nm。次镜组件一阶频率为203.8 Hz，10 g加速度应力响应（35.4 MPa）远小于材料屈服应力。采用该方法优化可获得高力热稳定性、高性能的次镜组件。     

基于拓扑优化的4 m 望远镜底座结构设计

为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求,研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先,基于连续体结构拓扑优化的思想,以单元虚拟密度为设计变量,以位移变形和一阶频率及质量为优化约束,应变能最小为优化目标,建立了底座设计的拓扑优化数学模型,并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度;然后,对底座结构应用拓扑优化设计,并以所得的理想概念构型为基础,进行底座结构的详细设计;最后,采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明,底座质量从27.66 t减至22.15 t;最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm;一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz;在减小质量的同时,有效提高了底座结构的静刚度和动刚度,验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。     

空间相机反射镜SiC/Al 支撑板轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜组件结构刚度、位置精度、面形精度的同时,最大限度地降低反射镜支撑板的质量,是轻量化设计的一个重要内容。提出了通过拓扑优化确定反射镜用SiC/Al 材料的背部支撑板轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明: 重力载荷下面形精度达到/10 PV,/50 RMS（=632.8 nm）,PV 值13.3 nm,RMS 值2.9 nm,反射镜组件一阶固有频率239 Hz,均优于传统结构形式的反射镜。拓扑优化的方法获得的轻量化背部支撑板能够满足使用要求。     

IC基板传输机器人末端执行器结构拓扑优化设计

在半导体封装基板检测的传输过程中,末端执行器对其快速稳定高效率的传输起着关键作用。在满足设计强度、刚度的条件下,以末端执行器轻量化为目标,建立了末端执行器的三维模型,利用有限元分析软件ANSYS对基板传输机器人末端执行器进行静力学和模态分析,得到末端执行器在最大载荷情况下的应力、应变特性和对应的振型,并对其进行拓扑优化设计,根据拓扑优化结果建立新的末端执行器结构,对新的结构进行强度校核,验证设计方案的有效性。研究结果表明,优化后末端执行器的前四阶固有频率都大于伺服电动机的回转频率(50Hz),质量减少了26.7%,较好地实现了轻量化的目标,同时为后续的相关产品研制提供了一种新的技术方案。     

紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜拓扑优化设计

为了研究某紫外-近红外高光谱探测仪扫描镜工作在运动状态的轻量化问题,提出了以扫描镜动态面形为设计约束的拓扑优化方法.对设计约束进行了有效的简化,降低了计算的复杂程度.使用拓扑优化方法得到了在转动条件下扫描镜的最优轻量化形式.分析结果表明,拓扑优化后的扫描镜轻量化率为47.3%,动态面形PV值和RMS值分别为19.36 nm和5.65 nm,比优化前分别提高了18.45%和17.40%,同时,扫描镜的一阶频率提高了113.8 Hz.分析结果说明了以动态面形为设计约束进行扫描镜拓扑优化的合理性.     

激光通信平背伺服摆镜支撑结构优化设计EI北大核心CSCD

为了保证平背伺服摆镜的镜面精度和支撑刚度,设计了一种周边柔性支撑的方案,通过对摆镜与镜座粘接处机械结构进行切口处理形成铰链结构,降低结构刚度,减小结构变形产生应力的影响。由于摆镜形状、粘接点位置、柔性支撑结构参数较多,并且相互耦合,首先采用正交实验法对摆镜主要参数进行分析与优化,确定摆镜形状尺寸参数和粘接点位置,随后优化设计摆镜柔性支撑结构。仿真分析和实验表明,采用该周边柔性支撑后,摆镜组件一阶频率为446.66 Hz,在±5℃温升(温降)和标准地球重力共同作用下,最大面形误差RMS为λ/42.87,能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。随后使用ZYGO干涉仪在(23±5)℃温度范围内对加工装配后的摆镜面形进行检测,结果表明,摆镜面形PV值优于λ/5.1,RMS优于λ/43.28,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

深空探测相机超轻主支撑结构优化设计

根据深空探测相机轻质高刚度、高性能的要求,设计了一种超轻主支撑结构。深空探测相比于地球探测环境更加严苛,主支撑结构作为主承力结构,其在发射、在轨环绕阶段都应具有高稳定性,来保持各光学元件之间的相对位置不变。与传统方法相比,文中采用拓扑优化得到清晰的主支撑结构的最佳传力路径,然后通过尺寸优化来提高主支撑结构基频。最后进行轻量化设计,其前后框架结构轻量化率达到90%以上。仿真分析和试验结果表明,主支撑结构满足公差要求且基频（80.264 Hz）远远高于整星一阶频率,应用光学测量的方法振前、振后前框架相对于后框架倾角为3、0.3,满足光学系统的公差要求,具有较好的稳定性。大量级力学试验后系统的波像差/14,满足光学系统成像质量要求。     

空间遥感器两维扫描指向镜的轻量化设计及应用

论述了空间遥感器中两维扫描指向镜的轻量化设计应注意的主要问题,并给出了扫描指向镜的轻量化设计的应用实例,利用有限元软件,结合设计指标,对其进行了光、机、热综合分析.     

高分辨力空间遥感器次镜支撑设计

长焦距空间遥感器次镜热控实施难度大、发射动态响应大,因此,必须具有较宽的温度适应范围和较高的动态刚度.文中阐明了次镜支撑方式的基本原则,并从材料选择、消热设计等角度出发,设计了一种柔性支撑结构;对该支撑的3个柔性环节进行了灵敏度分析,得到了各自对次镜面形精度影响的程度;通过优化设计确定了该支撑的尺寸参数,并对次镜组件进...     

同轴反射式空间相机新型次镜支架结构

为提高同轴空间相机次镜安装结构的稳定性,减小因次镜位置变化对相机成像质量的影响,深入研究了次镜支架结构。针对同轴长焦距相机光学系统的特点和传统次镜支架存在的不足,基于三角形稳定的原理设计了一种新型次镜支架,有限元分析结果表明:在相同质量条件下,该结构的基频、抗扭刚度和沿光轴方向的刚度相对传统结构均大大提高,其中基频提高了20%以上。为验证该结构的可行性,研制了两种钛合金样机结构。试验表明,轻量化后的支架质量仅1.7kg,基频可达293Hz。该结构解决了传统次镜支架结构刚度低、基频低的难题,并实现了高轻量化和高比刚度,容易加工和装配,适用于可见光和红外多种类型空间相机,已在某可见光空间相机中成功应用。     

C/SiC在大口径空间望远镜次镜承力筒的应用

设计并研制了基于C/SiC复合材料的大口径空间望远镜次镜承力筒。首先对C/SiC复合材料的特性以及在空间遥感器领域的应用进行了介绍。其次以某大口径空间望远镜次镜承力筒为例,对不同材料下次镜承力筒的质量、力热性能进行了对比。仿真分析表明:设计的C/SiC复合材料次镜承力筒低至32 kg,相比钛合金筒减轻45.5%;基频为204 Hz,满足设计要求;更易于控制热变形对反射镜面形的影响。最终完成了C/SiC复合材料次镜承力筒的研制和主要物理性能的检测,并进行了力学振动试验考核,对振动前后结构的三坐标测量数据进行了比对。结果表明:次镜承力筒组件的基频良好,振动试验前后频漂低于1%,结构的微位移变化量级在微米级。为应用C/SiC开展空间遥感器大尺寸整体成型支撑结构的设计提供有效的参考价值。     

空间相机次镜调整机构的改进布谷鸟标定方法

为了提高空间相机次镜Stewart型调整机构的定位精度,需要完成机构的精密标定。针对6-PSS Stewart机构,首先依据最小二乘原则,利用驱动残差构建了参数标定模型。其次为提高标定优化问题的全局求解精度,采用自适应路径（Variable Step Adaptive,VSA）及限界处理对单纯形布谷鸟算法进行改进,并应用于标定优化问题求解。数值仿真表明其求解能力并优于单纯型布谷鸟算法。最后,为保证标定的全行程有效性,规划了包含位姿六元素的试验数据采样方法。实验结果表明,经过该方法标定后,位姿采样点处最大位移误差由19.97 m降为9.68 m,最大转角误差由123.84降为最大8.86,在非采样点处最大误差与采样点处在同一量级水平。基于上述模型、算法和采样位姿规划的标定方法可有效提高定位精度,且标定结果在全行程区域内有效。     

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。     

空间相机次镜调整机构的性能评价及参数优化

针对空间相机次镜调整机构的复杂设计约束要求,提出一组评价调整机构运行效率的指标体系,并基于这组指标评价体系,优化得到一组综合约束下效率性能较高的机构尺寸参数。通过建立机构的运动学模型、运动误差模型、静力学模型和动力学模型,针对运载过程和在轨运行期间的约束要求,提出了空间利用效率指标、误差传递效率指标、质量受力效率指标和运动能耗效率指标,基于四个效率性能评价指标,利用性能图谱法,分别得到了四个效率指标的性能图谱,并进一步优化得到了一组效率性能全面的机构尺寸参数（a,b,l）=（197 mm,643 mm,1 260 mm）,研究成果为后续该机构的空间工程应用奠定了良好的理论基础。     

大口径望远镜主镜保护盖设计

针对某米级光学望远镜设计了四门对开花瓣式主镜保护盖。简要介绍了国内外已建成大口径望远镜主镜保护盖的主要结构形式,利用铰链四杆机构的演化偏置曲柄滑块机构为基体进行优化设计,得出一种不需曲柄存在的四杆机构,建立运动学模型,对其受力状态进行分析,计算了电机所需的驱动力矩、滑块的移动位移及镜盖开关时间。实际工程应用表明,该保护盖对主镜能够有效防尘及保护,单次打开或关闭时间约为62.5 s,在长春地区无故障使用时间大于一年,免维护开关次数大于500次。满足系统设计要求,为后续研究者提供了设计参考。     

大口径望远镜主镜支撑系统装调

针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统,为保证主镜面形精度均方根要求,提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理,分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构,以保证其在较大温差范围内（-20~60℃）以及不同俯仰状态下（垂直-水平）始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力,明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析,根据结果制定装调流程,并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后,采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测,检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为/42和/31（=632.8 nm）。     

用于空间太阳望远镜的双波段极紫外反射镜

Fe-IX/X(λ=17.1nm)和He-II(λ=30.4nm)是太阳辐射的两条重要谱线,极紫外(EUV)空间太阳望远镜通常选择这两条谱线对日冕进行观测。为了实现在同一块反射镜对上述两条谱线同时具有较高的反射率,设计了多层膜膜系结构。首先根据极紫外波段选材原则选择了Si、B4C和Mo 3种材料,构成B4C/Si和Mo/Si叠加的两种周期结构,优化其周期数、膜层厚度等,计算了反射率曲线,并从理论验证了其可行性;然后利用磁控溅射镀膜机,在Si片上镀制了多层膜;最后用激光等离子体反射率计检测了样片的反射率,结果显示,在波长17.1nm和30.4nm处的反射率分别达到19.9%和20.2%。通过选择不同滤光片,如Mg、Al/Zr滤光片,可以获得17.1nm或30.4nm单一谱线的反射,实现了设计目标。