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轻量化反射镜动态性能分析与支撑结构设计

作　者: 张莹涛
导　师: 曹学东; 匡龙
学　校: 中国科学院研究生院（光电技术研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 轻量化反射镜 镜面变形 有限元法 支撑结构 坐标变换
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 17次
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内容摘要


本论文针对正在研制的动态扩展目标检测装置所使用的一块口径为500mm的反射镜进行研究，为了尽可能减小反射镜的重量，反射镜采取轻量化设计。动态扩展目标检测装置工作过程中，轻量化反射镜需要进行圆周运动，运动的最大角加速度达为10°/s2，最大角速度为40°/s，由于运动产生的力和重力必然导致反射镜发生镜面变形，而镜面面形作为反射镜的重要性能指标，影响着光学系统的成像质量，系统设计要求的最大镜面变形为：PV≤1/15λ=42nm，RMS≤1/40λ=15nm。本论文的主要任务就是设计反射镜的支撑结构，对反射镜的镜面变形进行分析。论文的主要研究内容包括以下几个部分：1)对轻量化反射镜的受力情况进行分析，建立了分析使用的基准坐标系和镜面坐标系，采用齐次坐标变换的方法计算得到镜面坐标系与基准坐标系间的变换矩阵，根据变换矩阵得到了重力、运动力(向心力和运动力)在镜面坐标系下的方向和大小。2)调研了反射镜镜面变形的数据处理方法，用Matlab软件编写了基于Zernike多项式的数据处理软件；设计了轻量化反射镜的支撑结构。3)基于设计的反射镜的支撑结构，分析了反射镜在重力和运动力下的镜面变形；分析了反射镜在不同螺钉预紧力下的镜面变形；分析了反射镜在温度变化情况下的镜面变形；最后，对反射镜组件进行了模态分析。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-20
  1.1 课题的研究背景与意义  10-13
  1.2 有限元法的发展及其在光机分析中的应用  13-16
    1.2.1 有限元法的基本思想及其发展  13-15
    1.2.2 有限元法在光机分析中的应用  15-16
  1.3 本文的工作内容与技术路线  16-18
    1.3.1 本文的工作内容  16-17
    1.3.2 技术路线  17-18
  1.4 论文的组织安排  18-20
第2章 轻量化反射镜受力分析  20-29
  2.1 齐次坐标变换法  20-21
  2.2 坐标系的建立  21-22
  2.3 重力的方向和大小计算  22-25
    2.3.1 重力的方向计算  22-24
    2.3.2 重力的大小计算  24-25
  2.4 运动力的方向和大小计算  25-28
    2.4.1 运动力的方向计算  25-26
    2.4.2 运动力的大小计算  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章 镜面变形数据处理  29-37
  3.1 面形处理算法介绍  30-34
    3.1.1 Zernike多项式的性质  30-32
    3.1.2 Zernike多项式系数求解  32-34
  3.2 数据处理流程  34-35
  3.3 数据处理软件界面  35
  3.4 分析实例  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章 轻量化反射镜支撑结构设计  37-46
  4.1 轻量化反射镜  37-39
    4.1.1 轻量化反射镜的材料选择  37-38
    4.1.2 反射镜的轻量化结构  38-39
  4.2 支撑原则  39
  4.3 反射镜支撑方式  39-42
    4.3.1 底面支撑  40-41
    4.3.2 周边支撑  41-42
    4.3.3 中心支撑  42
  4.4 支撑结构设计  42-44
  4.5 支撑结构改进  44-45
  4.6 本章小结  45-46
第5章 轻量化反射镜动态性能分析  46-60
  5.1 重力和运动力作用下的镜面变形计算与分析  46-50
    5.1.1 重力和运动力作用下的镜面变形计算  46-49
    5.1.2 镜面变形结果分析  49-50
  5.2 螺钉预紧力作用下的镜面变形计算与分析  50-53
    5.2.1 螺钉预紧力的计算  50
    5.2.2 反射镜镜面变形计算  50-52
    5.2.3 镜面变形结果分析  52-53
  5.3 温度变化作用下的镜面变形计算与分析  53-55
    5.3.1 反射镜镜面变形计算  53-54
    5.3.2 镜面变形结果分析  54-55
  5.4 反射镜组件的模态分析  55-59
    5.4.1 模态分析基本理论  55-56
    5.4.2 模态分析  56-59
  5.5 本章小结  59-60
第6章 结束语  60-62
参考文献  62-64
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果  64

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器
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