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1m口径光电经纬仪关键部件优化设计与仿真分析研究

作　者: 伞晓刚
导　师: 乔彦峰
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 经纬仪优化设计有限元分析主镜支撑结构动力学温度场
分类号: TH761.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为了适应现代靶场测量技术的发展，光电经纬仪逐渐向大口径、高分辨力、高跟踪精度和高指向精度的方向发展。显然，大口径经纬仪带来了如下问题：结构过于庞大、复杂；自身转动惯量大，导致伺服跟踪性能下降；大口径主反射镜的精密支撑问题；大口径经纬仪主系统温度适应性，等等。为了满足结构刚度和稳定性要求，保证系统精度的同时减少结构质量，需要借助有限元法对经纬仪的关键部件进行结构优化设计，并对全系统进行动、静态响应分析和热分析，使系统结构得到比较全面的优化。概述了国内外大口径光电探测系统的发展，介绍了国内外光电探测系统有限元分析的发展现状。详细解释了有限元技术的概念和理论基础，总结了优化设计的基础理论，重点阐述了拓扑优化的原理。以某1m口径光电经纬仪为研究对象，以提高结构刚度质量比为目的，对四通、转台、基座等关键结构部件进行结构优化设计，重点进行保刚度的轻量化设计。首先详细研究各部件的工作特点及与其他部件的连接关系，分别建立各部件合理的有限元模型，借助连续体拓扑优化获得部件的最优材料拓扑，在此基础上采用桁架结构构建轻量化模型，然后对结构重要参数做尺寸优化设计，最后对优化设计后的结构进行有限元分析验证。对主反射镜支撑技术进行研究，总结了主反射镜支撑结构设计的原则和镜面面型评价方法。分析了现有轴向和径向支撑结构的局限性，提出了适用于1m口径主反射镜的改进的主镜复合支撑方案，重点研究新的主镜轴向和径向支撑结构，并对主镜径向支撑和轴向支撑的相关参数进行优化设计。在对部分结构进行简化后，建立经纬仪全系统的有限元模型。对经纬仪进行系统级静力学分析，讨论了系统在工作状态下的变形和应力情况，计算在不同重力方向和静态风载作用下的主、次镜离焦和偏移情况。接着对经纬仪进行系统级动力学分析，包括模态分析、动态风载分析等。研究了经纬仪主镜在轴向和径向温差作用下的热变形。分析了经纬仪主系统所处的热环境，计算了主系统的温度场，进而对经纬仪的光学系统和机械系统进行热-结构耦合分析，讨论了温度场作用下主系统的性能表现。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
第1章绪论  13-27
  1.1 引言  13-19
    1.1.1 地基大口径光学望远镜国内外发展现状  14-15
    1.1.2 地基大口径望远镜仿真分析的发展  15-19
  1.2 有限元分析理论基础  19-22
    1.2.1 有限元法的发展  19
    1.2.2 有限元法理论基础  19-22
  1.3 结构优化设计理论基础  22-25
    1.3.1 连续体结构拓扑优化的材料插值方法  22-24
    1.3.2 连续体拓扑优化的优化求解数值算法  24-25
  1.4 本文主要研究内容  25
  1.5 本章小结  25-27
第2章 1m口径光电经纬仪关键部件优化设计  27-55
  2.1 光电经纬仪总体结构简介  27-29
  2.2 经纬仪系统综合精度分析  29-32
    2.2.1 图像处理引起的误差分析  29-30
    2.2.2 视轴晃动引起的误差  30-31
    2.2.3 跟踪架测角误差分析  31
    2.2.4 综合精度分析  31-32
  2.3 经纬仪跟踪架关键部件优化设计  32-50
    2.3.1 转台结构优化设计与分析  32-41
    2.3.2 四通结构优化设计与分析  41-46
    2.3.3 基座结构优化设计与分析  46-50
  2.4 经纬仪跟踪架精度检测  50-52
  2.5 本章小结  52-55
第3章 1m口径光电经纬仪主镜支撑结构设计及优化  55-73
  3.1 引言  55
  3.2 主镜支撑设计原则及面形评价标准  55-56
    3.2.1 主镜支撑设计原则  55-56
    3.2.2 面形误差评价标准  56
  3.3 主镜支撑结构设计及其优化  56-68
    3.3.1 主镜的光学参数  56-57
    3.3.2 主镜复合支撑方案  57-58
    3.3.3 主镜轴向支撑结构优化设计  58-64
    3.3.4 主镜径向支撑结构优化设计  64-68
  3.4 主镜支撑其他结构简介  68-70
  3.5 本章小结  70-73
第4章 1m口径光电经纬仪系统级有限元分析  73-91
  4.1 各部件有限元模型的建立  73-78
  4.2 大口径经纬仪在重力作用下的分析  78-80
  4.3 大口径经纬仪的模态分析  80-83
  4.4 大口径经纬仪在风载作用下的分析  83-90
    4.4.1 经纬仪的静态风载分析  83-86
    4.4.2 经纬仪的动态风载分析  86-90
  4.5 本章小结  90-91
第5章大口径经纬仪主光学系统热分析  91-103
  5.1 主光学系统结构的传热  91-94
  5.2 主镜在温度场作用下的变形分析  94-98
    5.2.1 主镜在轴向温差下的热变形  94-96
    5.2.2 主镜在径向温差下的热变形  96-98
  5.3 经纬仪主系统的温度场  98-100
  5.4 经纬仪主系统的热—结构耦合分析  100-102
  5.5 本章小结  102-103
第6章结论及展望  103-107
  6.1 主要研究成果及结论  103-104
  6.2 主要创新点  104-105
  6.3 工作展望  105-107
参考文献  107-117
在学期间学术成果情况  117-119
指导教师及作者简介  119-121
致谢  121

1m口径光电经纬仪关键部件优化设计与仿真分析研究

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