针对吉林一号某轻型空间遥感相机的任务需求,以碳纤维复合材料的薄壁筒与桁架杆一体式成型为设计思路,基于拓扑优化、尺寸优化以及铺层优化设计了一种高稳定性的次镜支撑结构。工程分析和实验结果表明一体式碳纤维次镜支撑结构具有较好的结构稳定性,整体质量仅为1.3 kg,其在轨成像质量良好,这进一步验证了一体式碳纤维次镜支撑结构的可靠性和设计方法的正确性。
遥感 碳纤维复合材料 支撑结构 稳定性
红外与激光工程
2021, 50(10): 20210476
1 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
光刻投影物镜中透物镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一,而支撑变形是影响面形精度的一个非常重要的因素。为提高大口径透镜的光学检测复现性,设计了一种整体式柔性支撑结构,分析了重力作用下弹片数量和各尺寸参数等对透镜面形精度及复现精度的影响。分析结果表明: 增加弹片数量、减小支撑距离透镜中心的距离及增大弹片厚度可使透镜的变形减小; 可以通过缩短弹片长度、增加弹片厚度及弹片数量来提高复现精度。根据各影响因素与复现性的关系分析得到的优化参数下的复现精度为0.21nm rms,能够满足深紫外光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。
支撑变形 支撑结构 面形精度 复现性分析 support deformation supporting structure surface shape accuracy reproducibility analysis
红外与激光工程
2021, 50(8): 20210025
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了探究宇宙起源与演化过程，大口径巡天望远镜将突破已有的探测深度和广度，帮助人类解决更多科学前沿领域问题。大口径校正镜组不同于普通的透射式光学系统，为了使校正镜组性能满足设计要求，总结分析了透镜支撑设计的基本原理和一般方法，建立了弹性体有限元模型，进行了参数化分析并优化了支撑结构关键部位。着重考虑透镜和镜室在不同重力载荷下的位移变形、应力变化和成像质量要求。结果显示，在0°～90°俯仰角变化范围内，弹性体支撑的透镜标准化点源敏感性值最小值为0.973 1，其面形误差、应力和位移等方面均满足系统设计要求，以上的工作对于类似的大口径系统设计与优化有着一定指导意义。
大口径光学系统 支撑结构 有限元分析 校正镜组 large aperture optical system supporting structure finite element analysis corrector 红外与激光工程
2020, 49(S1): 20200124
在深低温下的反射镜及其支撑结构设计中, 温度变化作用下的面形精度是空间反射镜性能的重要影响因素。以温度变化作用下的面形RMS为性能指标, 基于碳化硅反射镜不同支撑结构和不同材料搭配形式下对空间反射镜的面形变化进行对比研究。首先, 在深低温下对背部支撑和侧面支撑的以下两种情况进行仿真分析: (a)反射镜和支撑结构都用碳化硅制造; (b)反射镜用碳化硅制造, 支撑结构用其他材料制造。仿真分析得到在(a)条件下背部支撑结构能获得更好的面形, 在(b)条件下, 侧面支撑结构能获得更好的面形; 然后对侧面支撑结构中不同材料搭配情况下对面形精度的影响进行研究, 对面形RMS与反射镜材料的线膨胀系数, 支撑结构材料的线膨胀系数和反射镜材料与支撑结构材料的线膨胀系数之差的绝对值之间的关系用多元线性回归方法进行统计分析, 研究其影响程度, 分析得到线膨胀系数之差的绝对值对面形精度RMS的影响更大。研究取得的成果和研究思路对今后的深低温光学反射镜及其支撑结构设计提供参考。
深低温 空间反射镜 支撑结构 热应力变形 有限元仿真 cryogenic space mirror supporting structure deformation due to thermal stress finite element simulation 红外与激光工程
2020, 49(2): 0214003
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130031
2 中国科学院大学, 北京 100049
根据深空探测相机轻质高刚度、高性能的要求, 设计了一种超轻主支撑结构。深空探测相比于地球探测环境更加严苛, 主支撑结构作为主承力结构, 其在发射、在轨环绕阶段都应具有高稳定性, 来保持各光学元件之间的相对位置不变。与传统方法相比, 文中采用拓扑优化得到清晰的主支撑结构的最佳传力路径, 然后通过尺寸优化来提高主支撑结构基频。最后进行轻量化设计, 其前后框架结构轻量化率达到90％以上。仿真分析和试验结果表明, 主支撑结构满足公差要求且基频(80.264 Hz)远远高于整星一阶频率, 应用光学测量的方法振前、振后前框架相对于后框架倾角为3″、0.3″, 满足光学系统的公差要求, 具有较好的稳定性。大量级力学试验后系统的波像差<λ/14, 满足光学系统成像质量要求。
深空探测 主支撑结构 超轻 拓扑优化 尺寸优化 deep space exploration main supporting structure ultra-light topology optimization size optimization 红外与激光工程
2019, 48(12): 1214003
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京100039
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100039
为满足机载光谱仪主支撑结构动力学特性好、质量低等需求, 本文进行了主支撑结构的优化设计及试验验证。首先, 针对常用结构无法适用于本系统的问题, 提出了一种框架式与薄壁筒式结构相结合的总体结构形式, 方便对遮光罩与结构进行一体化设计, 可有效降低质量且保证刚度; 其次, 为提高系统模态, 采用多变量集成优化方法, 在满足质量要求的情况下将其模态由127 Hz提高到156 Hz, 使其具有良好的动力学特性; 然后, 为确定振动环境对系统调制传递函数(MTF)的影响, 通过有限元分析与灵敏度矩阵相结合的方法分析了振动环境对系统MTF影响, 并通过计算得知本结构能适用于像元尺寸大于10 μm的机载系统; 最后, 通过对主支撑结构的测振试验与整机结构的波前检测试验, 验证了本文设计方法与分析过程的有效性与可行性。本文提出的优化设计方法可为机载遥感仪器结构的优化设计提供参考, 将有助于推动机载遥感仪器结构设计技术的发展。
机载光谱仪 主支撑结构 集成优化 振动环境 调制传递函数 airborne spectrometer main supporting structure integrated optimization vibration environment Modulation Transfer Function(MTF)
1 长光卫星技术有限公司, 吉林 长春 130031
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
针对某型号微纳遥感相机超轻质、低功耗、短周期和低成本的要求,设计了一种一体式超轻主支撑结构。从微纳遥感相机的任务需求出发,经过比较后选择钛合金作为主支撑结构的材料,并从质量和功耗两方面考虑选择了桁架式方案。建立了以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,推导了目标函数的灵敏度,并通过采用改进的Heaviside密度滤波方法,得到了拓扑结果清晰的主支撑结构最优传力路径。以基频为目标函数建立尺寸的优化数学模型,得到了各部分的最佳设计尺寸,设计完成后的一体式主支撑结构质量为0.6 kg。有限元分析与实验结果表明:一体式主支撑结构能够满足光学系统的公差要求,且基频远高于卫星平台对光学载荷的要求,验证了拓扑优化设计方法和尺寸优化设计方法的正确性以及设计的合理性。
遥感 微纳遥感相机 超轻质 主支撑结构 拓扑优化 尺寸优化
