基于拓扑优化的空间反射镜与柔性支撑结构设计方法

发布时间：2021-05-14 22:37

　　随着空间光学系统对成像质量的要求不断提高,更大口径的空间反射镜成为空间望远镜研制领域的研究重点。空间反射镜口径的增大会引起整个结构系统重量的增加,增大发射成本;同时,口径的增大也会导致重力、温度等因素引起的反射镜结构变形增大,降低镜面的面形精度。反射镜镜面背部的结构形式是影响反射镜结构质量和镜面面形精度的关键因素之一。因此建立大口径空间反射镜镜面背部结构的设计方法,获得轻质、高面形精度的空间反射镜设计方案,是重要的研究课题。柔性支撑是大口径空间反射镜支撑结构系统的关键元件,用于实现支撑结构与反射镜结构之间的刚柔特性的最佳匹配,其结构形式对反射镜的镜面面形精度也具有重要影响。因此研究面向空间反射镜面形精度的柔性支撑结构设计方法具有十分重要的研究意义。在这些需求的牵引下,本文针对典型的背部开放式反射镜结构,研究建立了基于筋板式基结构拓扑优化和基于三维实体拓扑优化的两种空间反射镜结构设计方法;提出了一种双向多拱形大口径空间反射镜新构型,并进行了新构型的设计;针对制造难度高的背部封闭式反射镜结构,建立了考虑可制造性约束的背部封闭式反射镜结构拓扑优化设计方法;为提高反射镜的面形精度,建立了面向空... 

【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：154 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号表
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 大口径空间反射镜结构国内外研究现状
        1.2.1 国外主要空间望远镜项目发展现状
        1.2.2 国内大口径空间反射镜研究现状
    1.3 空间反射镜轻量化设计的研究进展
        1.3.1 反射镜结构的光学性能表征
        1.3.2 空间反射镜常用的材料与轻量化构型
        1.3.3 大口径反射镜的可制造性问题
        1.3.4 空间反射镜结构设计方法的研究进展
    1.4 柔性支撑结构设计的研究进展
        1.4.1 空间反射镜支撑方式概述
        1.4.2 反射镜柔性支撑结构设计方法的研究进展
    1.5 本文主要研究思路
2 基于筋板式基结构拓扑优化的背部开放式反射镜结构设计方法
    2.1 前言
    2.2 基于筋板式基结构的反射镜拓扑优化模型
        2.2.1 空间反射镜设计要求
        2.2.2 基结构形式
        2.2.3 拓扑优化数学模型
    2.3 拓扑优化构型的提取与详细设计
    2.4 设计算例——2m大口径圆形反射镜
        2.4.1 初始筋板式基结构
        2.4.2 拓扑优化结果与概念构型
        2.4.3 反射镜结构详细设计与性能评价
    2.5 其他应用算例——非圆形离轴反射镜的改进设计
    2.6 本章小结
3 基于三维实体拓扑优化的背部开放式反射镜结构设计方法
    3.1 前言
    3.2 背部开放式反射镜优化设计方法
        3.2.1 反射镜的性能需求
        3.2.2 背部筋板布局与高度同时设计的描述方法
        3.2.3 拓扑优化数学模型的建立
        3.2.4 镜面背部筋板构型的提取方法与详细设计
    3.3 设计算例——2m大口径圆形反射镜
        3.3.1 反射镜主要尺寸参数与设计需求
        3.3.2 反射镜背部基体的拓扑优化
        3.3.3 背部筋板概念构型的提取与详细设计
        3.3.4 性能评价
    3.4 其他应用算例
        3.4.1 非圆形离轴反射镜的设计
        3.4.2 中心带孔反射镜的设计
    3.5 本章小结
4 双向多拱形大口径空间反射镜新构型设计
    4.1 前言
    4.2 双向多拱形反射镜构型特征描述
    4.3 2m大口径空间反射镜新构型设计
        4.3.1 反射镜主要设计参数与设计需求
        4.3.2 初始平背形反射镜的选取
        4.3.3 双向多拱形参数的定义
        4.3.4 反射镜结构的详细设计
    4.4 新构型的性能评价
    4.5 本章小结
5 考虑可制造性的背部封闭式空间反射镜结构设计方法
    5.1 前言
    5.2 背部封闭式反射镜的优化设计方法
        5.2.1 反射镜的性能需求
        5.2.2 夹层内部筋板布局设计的拓扑优化模型
        5.2.3 夹层内部筋板的尺寸优化模型
        5.2.4 优化设计方法流程
    5.3 设计算例——2m大口径圆形反射镜
        5.3.1 主要设计参数和性能需求
        5.3.2 夹层内部筋板布局的拓扑优化
        5.3.3 夹层内部筋板的尺寸优化
        5.3.4 反射镜构型设计结果的后处理
        5.3.5 反射镜优化构型的性能评价
    5.4 本章小结
6 面向空间反射镜面形精度的柔性支撑结构设计方法
    6.1 前言
    6.2 柔性结构的优化设计方法
        6.2.1 性能需求介绍
        6.2.2 子结构分析方法
        6.2.3 柔性结构拓扑优化模型的建立
        6.2.4 详细的参数优化模型
        6.2.5 柔性支撑优化设计方法流程图
    6.3 空间反射镜柔性支撑结构设计算例
        6.3.1 反射镜系统各组件介绍及性能需求
        6.3.2 有限元模型的建立与子结构的划分
        6.3.3 柔性结构的拓扑优化
        6.3.4 概念构型的提取
        6.3.5 详细的参数优化
        6.3.6 设计结果的性能评估与对比
    6.4 结论
7 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介



本文编号：3186454