轻质长条形反射镜结构优化设计

发布时间：2021-09-09 19:47

　　为解决空间反射镜镜体质量和面形精度在轻量化设计过程中会引起相互冲突的问题,针对某型离轴三反光学系统的长条形主反射镜进行了结构优化设计研究,提出了一种基于Si C材料的中心支撑的轻量化结构,同时引入了多目标集成优化方法,以镜体质量（Mass）和面形（RMS）同时作为优化目标,得到一个反射镜最佳结构模型,其质量为2.32kg,轻量化率达到了73.8%;然后,对反射镜支撑结构进行了结构设计和说明,并对该组件进行了仿真分析,在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的RMS值分别达到2.5 nm、2.2 nm、7.3 nm,4℃均匀温升载荷工况下的RMS值为3.2 nm,远小于设计要求的RMS≤λ/50（λ=632.8 nm）,满足设计要求。 

【文章来源】：光电工程. 2020,47(08)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

反射镜的初步设计几何结构模型

目前，在反射镜的结构设计过程中，单目标集成优化方法已较为成熟，例如以镜体结构参数为设计变量，以反射镜柔性变形为设计约束，并以镜体质量或体积为设计目标(或优化目标)，可得到较优结构模型，但往往得不到发展全局最优解，造成系统设计研究空间的极大浪费。为了解决该问题，应考虑兼顾Mass和RMS的最小化两个方面，充分利用设计空间，找到全局最优解，获得更好的设计综合指标的结果。文中反射镜Z向(轴向)自重变形相比X向和Y向更显著，其RMS值也较难满足设计要求。因此，将Z向重力工况下的RMS值和Mass同时作为优化目标，而将X向和Y向重力工况下的RMS值作为约束条件，结合表2的设计变量，进行优化设计。本文选用HyperStudy软件进行多目标优化，优化算法采用软件推介的全局响应面算法(global response surface method,GRSM)，该算法默认是处理多目标优化问题的，原理是内部建立响应面，每次迭代都会生成新的全局搜索而得到的设计点，利用新的设计点来更新此响应面，在最佳响应面上搜索出最优点，因而可获得很好的模型拟合，具有高效和实用特点。图3为多目标集成优化流程图。

反射镜柔性支撑结构包括锥套、柔性元件、背板、过渡角板等。如图4所示，锥套是有一定锥度的套筒，具有一定的中心对称的径向尺寸变形，与反射镜胶接，并将反射镜与支撑结构连接起来，其材料必须采用与反射镜线胀系数相匹配的殷钢(Invar)；如图5所示，柔性元件采用一种双轴圆弧柔性铰链结构，具有体积小、无机械摩擦、无间隙和高灵敏度传动的特点，可通过自身的变形来改善镜面由于热应力所造成的面形误差[15]。该柔性元件分别连接锥套和背板，起到过渡作用，其材料则可以选用强度较高的钛合金(TC4)；背板选用高体份材料(SiC/Al)，进行轻量化后，再通过过渡角板与相机整体固定连接；过渡角板仅起连接作用，图4未给出具体结构形式。图4 体支撑结构爆炸图

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3392677