基于圆形均匀支撑的薄膜挠度与模态分析
发布时间：2021-01-12 05:25
随着科技与时代的发展,为了满足空间检测等方面的需求,建立大口径、高分辨率的空间光学成像系统是必要的趋势。但是随着望远镜口径的增大,望远镜的重量也会急剧上升,这就会导致对系统的零件加工、结构控制以及火箭运载能力等方面的要求提高,甚至有可能超出现有技术的能力。而衍射式薄膜望远镜使用的是薄膜材料作为光学系统的主镜基底,对于大口径的成像系统来说厚度薄、密度小的特点,能够有效的减小系统整体的重量,所以衍射式薄膜成像技术成为了解决这一问题十分有效的手段。对于衍射式薄膜的应用来说,其力学分析是一个十分重要的研究方向。由于薄膜柔性体的特殊性,其结构刚度是由其形状与预应力决定的。本文主要针对薄膜的力学特性进行了分析。主要内容分为以下几个方面:1:介绍了课题的背景与意义,调研了薄膜大挠度理论、薄膜振动模型的国内外现状以及薄膜平面应力的测量方法,阐述了对衍射式薄膜主镜进行力学分析在必要性以及对薄膜预应力测量的难点以及方法分析。2:运用圆形薄膜大挠度理论以及振动模型,计算了薄膜预应力、半径、外部载荷等参数对薄膜力学性能产生的影响,并分析了其具体的变化规律。为薄膜在实际中的应用,提供理论基础。3:运用ABAQU...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国内外著名望远镜的口径与完成时间[5]
第1章绪论3图1.2薄膜望远镜光路原理示意图[10]Figure1.2Layoutforthemembranediffractivetelescope[10]而衍射式薄膜主镜在应用过程中，需要对其进行力学特性的分析与相应参数的控制。通过前期研究薄膜在各种载荷以及环境等不同形式下的力学特性，累积分析数据与经验，建立精确的模型，可以为后续衍射式薄膜主镜的应用奠定力学基矗其中衍射式薄膜望远镜的面型能够影响主镜的光学成像，是十分重要的性能参数。无论是在发射至太空中还是在地面的试验，这个参数都需要进行检测与控制。而模态则是结构动态设计需要考虑的方面，决定了结构对于各种动力载荷以及薄膜对一些外界环境的响应情况[12]。在前期进行结构设计的时候，工程师进行模态分析对于结构的振动特性有了一定的了解以及把握后，可以有意识的避免结构的共振或者其他特定频率对结构的影响，设计更优的结构。而衍射式望远镜使用的薄膜是柔性体，柔性体是相对于刚性体的概念来说的。刚性体在受力后不会发生任何形变，在实际中，大部分情况下我们会将将构件近似于刚性体进行计算处理，不会与实际产生很大的误差，这种误差是被允许存在的。但是对于精度要求较高或者物体在受力后会产生比较大的变形，这种变形无法被忽略，就需要将物体当成柔性体，考虑其在受力后会发生的变形，来进行计算处理。对于薄膜这种柔性体来说，其本身的结构刚度与形状以及预应力的大小相关[13]，所以在应用时需要先施加预应力。预应力不仅与薄膜的成型和使用寿命息息相关，而且对薄膜的面型以及模态都会有影响。所以测量与控制预应力也是十分重要的一个研究方向。对于薄膜应力的测量方法来说，需要达到两点要求。第一：在实际中，对于装配好的薄膜，有了支撑框架的作用，无法直接主观的改变预应力
第1章绪论5图1.3“MOIRE”项目的空间概念图[11]Figure1.3Spatialconceptmapforthe"Moire"project[11]2005年，法国图卢兹大学的L·Koechlin等人提出了使用菲涅尔衍射阵列作为望远镜的主镜，来实现高分辨的成像系统。2008年,DenisSerre等人运用菲涅尔衍射阵列第一次搭建了衍射成像系统。2011年科林小组研制了口径200×200mm的菲涅耳成像透镜并且计划在2025年左右在ESA任务中将4米菲涅尔成像系统发射到太空[19-21]。2010年前后，国内各个单位也相继开始了对衍射薄膜光学成像系统的研究，主要是成都光电技术研究所、长春光学精密机械与北京空间机电研究所等研究所。2007年，长春光学精密机械所的张楠等人对1m口径的衍射成像光学系统进行了初步的设计；在2008年，中国科学院光电技术研究所完成了口径80mm的薄膜成像实验。2011年光电所研制的了150mm口径的石英基底薄膜主镜与聚酰亚胺薄膜。2012光电所研制了80mm薄膜样机。同年研制了200mm薄膜拼接成像系统。2013年，长春光机所刘华等人分析了大口径衍射望远镜系统的公差，为后续的衍射望远镜系统的建立提供了理论条件。2014年成都光电技术研究所首次完成了400mm口径的薄膜望远镜的研制，取得了巨大的技术突破。2016年北京空间机电研究所展开了对于大口径衍射透镜制备技术的研究，同年研制出了口径为200毫米的衍射望远镜原理样机，并于同年制备出了口径为400毫米的薄膜衍射
本文编号：2972238
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国内外著名望远镜的口径与完成时间[5]
第1章绪论3图1.2薄膜望远镜光路原理示意图[10]Figure1.2Layoutforthemembranediffractivetelescope[10]而衍射式薄膜主镜在应用过程中，需要对其进行力学特性的分析与相应参数的控制。通过前期研究薄膜在各种载荷以及环境等不同形式下的力学特性，累积分析数据与经验，建立精确的模型，可以为后续衍射式薄膜主镜的应用奠定力学基矗其中衍射式薄膜望远镜的面型能够影响主镜的光学成像，是十分重要的性能参数。无论是在发射至太空中还是在地面的试验，这个参数都需要进行检测与控制。而模态则是结构动态设计需要考虑的方面，决定了结构对于各种动力载荷以及薄膜对一些外界环境的响应情况[12]。在前期进行结构设计的时候，工程师进行模态分析对于结构的振动特性有了一定的了解以及把握后，可以有意识的避免结构的共振或者其他特定频率对结构的影响，设计更优的结构。而衍射式望远镜使用的薄膜是柔性体，柔性体是相对于刚性体的概念来说的。刚性体在受力后不会发生任何形变，在实际中，大部分情况下我们会将将构件近似于刚性体进行计算处理，不会与实际产生很大的误差，这种误差是被允许存在的。但是对于精度要求较高或者物体在受力后会产生比较大的变形，这种变形无法被忽略，就需要将物体当成柔性体，考虑其在受力后会发生的变形，来进行计算处理。对于薄膜这种柔性体来说，其本身的结构刚度与形状以及预应力的大小相关[13]，所以在应用时需要先施加预应力。预应力不仅与薄膜的成型和使用寿命息息相关，而且对薄膜的面型以及模态都会有影响。所以测量与控制预应力也是十分重要的一个研究方向。对于薄膜应力的测量方法来说，需要达到两点要求。第一：在实际中，对于装配好的薄膜，有了支撑框架的作用，无法直接主观的改变预应力
第1章绪论5图1.3“MOIRE”项目的空间概念图[11]Figure1.3Spatialconceptmapforthe"Moire"project[11]2005年，法国图卢兹大学的L·Koechlin等人提出了使用菲涅尔衍射阵列作为望远镜的主镜，来实现高分辨的成像系统。2008年,DenisSerre等人运用菲涅尔衍射阵列第一次搭建了衍射成像系统。2011年科林小组研制了口径200×200mm的菲涅耳成像透镜并且计划在2025年左右在ESA任务中将4米菲涅尔成像系统发射到太空[19-21]。2010年前后，国内各个单位也相继开始了对衍射薄膜光学成像系统的研究，主要是成都光电技术研究所、长春光学精密机械与北京空间机电研究所等研究所。2007年，长春光学精密机械所的张楠等人对1m口径的衍射成像光学系统进行了初步的设计；在2008年，中国科学院光电技术研究所完成了口径80mm的薄膜成像实验。2011年光电所研制的了150mm口径的石英基底薄膜主镜与聚酰亚胺薄膜。2012光电所研制了80mm薄膜样机。同年研制了200mm薄膜拼接成像系统。2013年，长春光机所刘华等人分析了大口径衍射望远镜系统的公差，为后续的衍射望远镜系统的建立提供了理论条件。2014年成都光电技术研究所首次完成了400mm口径的薄膜望远镜的研制，取得了巨大的技术突破。2016年北京空间机电研究所展开了对于大口径衍射透镜制备技术的研究，同年研制出了口径为200毫米的衍射望远镜原理样机，并于同年制备出了口径为400毫米的薄膜衍射
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