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大型空间光学遥感器反射镜及其组件的分析与优化

作　者: 徐炜
导　师: 吴清文
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: 机械制造及其自动化
关键词: 支撑位置参数优化拓扑优化柔性支撑 CAE
分类号: V443.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 30次
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内容摘要

随着空间光学技术的发展,人们对空间光学遥感器反射镜提出了口径更大的要求。反射镜口径的增大,使得由自重变形引起的镜面变形增大,也使得由环境温度变化以及镜体温差引起的镜面变形增大。为了降低空间光学遥感器的发射成本,并降低反射镜在恶劣空间环境下的面形误差,需要对反射镜及其组件进行分析优化,使其质量更轻的同时结构性能更好。首先介绍了空间光学遥感器的发展历史以及空间反射镜后续设计的理论依据。然后以两种口径不同形状的反射镜作为研究对象,利用不同的有限元软件分别对其进行了分析优化设计。针对1m SiC圆形平面反射镜,首先进行了支撑点位置的优化设计,找出了1m口径反射镜支撑点位置的一般设计规律；根据优化后的支撑点位置对反射镜进行结构参数优化,有效减轻了反射镜质量,提高了镜面面型精度；在参数优化的基础上对反射镜进行拓扑优化,确定了反射镜的最终形貌。基于2m SiC球面主镜支撑组件初始模型,利用有限元软件对其进行分析优化。结合支撑部件对主镜进行分析优化,使优化结果不偏离整体,并根据有限元分析结果发现支撑柔节安装位置对主镜面形影响较大,并设计出一种新型柔节,不仅节省空间,而且有效地减小了主镜倾角,还明显地提高了竖直放置时主镜的面型精度。将主镜的支撑背板改用桁架结构,有效的提高了结构刚度。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
图表目录  12-15
第1章绪论  15-23
  1.1 空间光学遥感器的发展概况  15-16
  1.2 优化设计简介  16-20
  1.3 课题研究目的与主要研究内容  20-22
  1.4 本章小结  22-23
第2章反射镜优化分析理论基础  23-35
  2.1 空间反射镜材料结构及支撑的确定  23-28
    2.1.1 轻量化反射镜材料的选择  24-27
    2.1.2 反射镜轻量化孔形状的确定  27-28
    2.1.3 反射镜支撑方式的确定  28
  2.2 有限元方法简介  28-33
    2.2.1 有限元法的基本理论  29-32
    2.2.2 有限元建模原则  32
    2.2.3 有限元模型网格划分的基本原则  32-33
  2.3 本章小结  33-35
第3章 1m反射镜优化设计  35-63
  3.1 1m反射镜的支撑位置优化  35-46
    3.1.1 支撑点位置优化概述  35
    3.1.2 实体模型各参数的确定  35-36
    3.1.3 支撑点位置的确定  36-37
    3.1.4 Ansys优化模型的建立与数据处理  37-42
      3.1.4.1 Ansys优化模型的建立  38-40
      3.1.4.2 分析求解  40-41
      3.1.4.3 优化结果  41-42
      3.1.4.4 优化结果与经验设计值对比分析  42
    3.1.5 椭圆形反射镜支撑点位置优化  42-46
  3.2 1m反射镜的参数优化  46-54
    3.2.1 参数优化概述  46
    3.2.2 1m反射镜参数化建模  46-51
      3.2.2.1 1m反射镜参数优化的数学模型  46-47
      3.2.2.2 参数初始值的确定  47-48
      3.2.2.3 建立有限元模型  48-51
    3.2.3 1m反射镜参数优化  51-54
      3.2.3.1 1m反射镜单参数优化  51-53
      3.2.3.2 1m反射镜多参数优化  53-54
  3.3 拓扑优化  54-61
    3.3.1 拓扑优化概述  54
    3.3.2 OptiStruct简介  54-58
      3.3.2.1 拓扑优化概念及插值模型  54-55
      3.3.2.2 OptiStruct求解算法  55-56
      3.3.2.3 灵敏度分析  56-58
      3.3.2.4 近似模型拟合  58
    3.3.3 1m口径反射镜的拓扑优化  58-61
  3.4 本章小结  61-63
第4章 2m球面反射镜及其组件优化分析  63-77
  4.1 引言  63
  4.2 初步设计方案与分析结果  63-67
    4.2.1 反射镜组件材料的选择  63-64
    4.2.2 主镜初始参数的确定  64
    4.2.3 支撑柔节参数设计  64-67
  4.3 主镜组件分析优化方案一  67-74
    4.3.1 主镜的分析优化  67-68
    4.3.2 支撑柔节的分析优化  68-73
    4.3.3 支撑背板设计与整体有限元分析  73-74
  4.4 主镜组件分析优化方案二  74-76
    4.4.1 主镜的分析优化  74-75
    4.4.2 整体结构分析  75-76
  4.5 两种方案对比  76
  4.6 本章小结  76-77
第5章结论与展望  77-81
  5.1 论文的研究成果与结论  77-78
  5.2 本文的创新点  78
  5.3 下一步工作计划与展望  78-81
参考文献  81-84
在学期间学术成果情况  84-85
指导教师及作者简介  85-86
致谢  86

大型空间光学遥感器反射镜及其组件的分析与优化

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