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卡塞格林激光发射望远镜支架的结构分析和优化

作 者: 杨秀荣
导 师: 石世宏;郭培基
学 校: 苏州大学
专 业: 机械工程
关键词: 望远镜 有限元分析 ANSYS 支架 拓扑
分类号: TH743
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 104次
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内容摘要


支架望远镜上重要的承载部件,望远镜所受到的大部分的载荷最终都传递给支架,因此支架的结构性能好坏直接关系到整个望远镜设计的成败,通过有限元法对支架结构进行性能分析,在设计时考虑支架结构的优化,对提高望远镜的工作和安全性能,降低设计和制造成本,增强市场竞争力都具有十分重要的意义。大型通用有限元软件ANSYS凭借其强大的分析功能和高度可靠性,在结构静力分析和动力分析以及优化设计等方面具有无可比拟的优越性。本文以卡塞格林激光发射望远镜支架的结构为研究对象,对其结构进行了静力和动力分析,并对其进行了拓扑优化和尺寸优化设计,文中首先介绍了ANSYS软件的主要功能和使用方法,然后用Pro/E进行了初始设计,设计出结构Ⅰ型方案的实体模型,再以ANSYS实体单元Solid 92对模型进行了网格划分,对支架静、动态特性进行了深入的研究。得到了加载后的偏移、固有振动频率、振形等。接着针对结构Ⅰ型设计方案的不完善之处,从支架的结构和尺寸两方面出发,以最大位移和固有频率为约束条件,并以支架的总体体积为优化目标,对其进行了优化设计并得出优化结果,设计出支架结构的拓扑优化模型和尺寸优化模型,最后再根据两方案的有限元分析结果,进行全面的比较并选优,得出拓扑优化方案为较优方案,系统偏移量和基频值最小,分别为0.814mm和22.7Hz,总体质量为74.4Kg,也达到了轻量化的要求。因此,本文的分析和优化,为整个望远镜的结构设计提供了可靠的依据。通过对卡塞格林激光发射望远镜支架结构的有限元仿真和优化,整理出一套可行的设计方法和思路,为望远镜结构进一步的设计奠定了理论基础。

全文目录


中文摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 课题的研究背景与现状  10
  1.2 论文选题的意义和目的  10-11
    1.2.1 论文选题的意义  10-11
    1.2.2 论文选题的目的  11
  1.3 有限元法在望远镜结构设计中的分析类型和问题  11-13
    1.3.1 望远镜支架结构有限元分析类型  11-12
    1.3.2 望远镜结构设计与分析中的问题  12-13
  1.4 本文的主要研究内容  13-14
第二章 ANSYS 软件的介绍  14-26
  2.1 ANSYS 软件的介绍  14-24
    2.1.1 ANSYS 的发展概述  14-15
    2.1.2 ANSYS 的主要特点  15-16
    2.1.3 ANSYS 的主要功能  16-17
    2.1.4 ANSYS 的结构分析文件  17-18
    2.1.5 ANSYS 提供的分析类型  18-19
    2.1.6 ANSYS 单元库构成体系  19-21
    2.1.7 ANSYS 中连接关系的处理  21
    2.1.8 ANSYS 网格检查  21-23
    2.1.9 ANSYS 求解器简介  23-24
  2.2 本章小结  24-26
第三章 有限元分析模型的建立  26-38
  3.1 Pro/Engineer 简介  26-28
    3.1.1 Pro/E 发展历程概述  26
    3.1.2 Pro/E 的基本功能  26-27
    3.1.3 Pro/E 的主要模块  27-28
  3.2 Pro/E 几何建模的注意事项及模型的简化  28-30
    3.2.1 几何建模的注意事项  28-29
    3.2.2 几何建模的简化  29-30
  3.3 建立望远镜模型  30-37
    3.3.1 简化模型  30
    3.3.2 应用Pro/E 建立望远镜三维几何模型  30-33
    3.3.3 应用ANSYS 对望远镜模型进行网格划分  33-34
    3.3.4 对实体单元Solid 92 的简要介绍  34-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章 载荷约束及技术要求  38-48
  4.1 支架结构载荷  38-44
    4.1.1 载荷分类  38-41
    4.1.2 载荷计算结果  41
    4.1.3 ANSYS 加载过程  41-44
  4.2 支架结构自由度约束  44-46
    4.2.1 自由度约束种类  44
    4.2.2 支架自由度约束结果  44-45
    4.2.3 ANSYS 添加约束过程  45-46
  4.3 望远镜设计要求  46-47
    4.3.1 结构最大偏移要求  46
    4.3.2 固有频率要求  46
    4.3.3 结构自重要求  46-47
  4.4 本章小结  47-48
第五章 结构Ⅰ型力学性能分析与研究  48-63
  5.1 结构Ⅰ型的静力性能分析  48-53
    5.1.1 静力分析的基本概念及流程  48-49
    5.1.2 结构Ⅰ型静力分析规范  49-51
    5.1.3 结构Ⅰ型静力分析结果  51-53
  5.2 结构Ⅰ型的动力性能分析  53-62
    5.2.1 模态分析的基本概念及流程  53-55
    5.2.2 结构动力性能分析方程  55
    5.2.3 刚度矩阵和质量矩阵形成  55-56
    5.2.4 望远镜结构模态分析规范  56-62
  5.3 本章小结  62-63
第六章 结构优化设计的初步研究  63-89
  6.1 优化设计的理论基础  63-74
    6.1.1 优化设计的概念  63-64
    6.1.2 优化设计的基本定义  64-65
    6.1.3 优化设计的步骤  65-71
    6.1.4 优化设计的数学描述  71
    6.1.5 ANSYS 的基本优化方法  71-73
    6.1.6 优化设计数学模型建立的原则  73-74
  6.2 拓扑优化方案  74-82
    6.2.1 拓扑优化的概念  74
    6.2.2 拓扑优化的理论基础  74-78
    6.2.3 拓扑优化结构的建立  78-81
    6.2.4 拓扑优化结果的处理和分析  81-82
  6.3 尺寸优化方案  82-84
    6.3.1 相关步骤  83
    6.3.2 优化结果及分析  83-84
  6.4 优化结果比较及取优  84-88
    6.4.1 偏移量比较  84-85
    6.4.2 固有频率比较  85-87
    6.4.3 结构轻量化比较  87
    6.4.4 取优方案  87-88
  6.5 本章小结  88-89
第七章 结论与展望  89-91
  7.1 结论  89-90
  7.2 展望  90-91
参考文献  91-94
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文  94-95
致谢  95-96

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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 > 望远镜
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