非球面长圆状反射镜支撑结构的工程分析

针对非球面长圆状反射镜的支撑结构初步设计方案，采用有限元法进行了静力学分析和计算。以镜面面型精度为评价指标，对支撑结构进行了有效的改进，并最终确定了满足要求的支撑结构方案。

620mm薄镜面的主动支撑结构及面形校正

为了提高大口径薄镜面望远镜主镜在不同俯仰角度的支撑面形精度,采用模态振型模式定标实时对主镜面形进行了主动校正。针对口径为620mm,厚度为18mm,底支撑采用36点主动支撑,侧支撑采用6点切向被动支撑的薄镜面主动支撑系统,分析了主镜自由振动时的模态振型;在进行主动校正前将其前10阶模态振型的RMS值归一化为1 000nm,定标出相应的校正力;分析了不同俯仰角下主镜面形的变化,并采用最小二乘法用模态振型为底基函数拟合了主镜面变形,求解出主动校正力;对比校正面形和原始面形的关系,在二次主动校正之后分析了拟合残差和校正残差的关系。最终校正结果显示,主镜竖直放置时,用最大2.23N的校正力可将其面形RMS从27.62nm校正到12.95nm;主镜水平放置时,用最大0.59N的校正力可将其面形RMS从7.68nm校正到2.84nm。得到的结果验证了采用模态振型校正主镜面形的可行性。

0.5m超薄镜主动支撑面形校正及实验

为了研究主动支撑条件对超薄镜面形误差的校正能力,以一个直径0.5m的超薄镜为例进行了面形校正的仿真分析及实验验证。分析了致动器作用力与超薄镜面形的关系,引入了一些需校正的面形误差,如初级球差、慧差、像散及重力变形等,确定了致动器作用力的优化目标,用求解非线性约束问题的优化算法——序列二次规划法计算了校正面形误差所需的致动器作用力,得到了超薄镜面形残余误差。仿真分析表明,对于归一化系数为1的初始球差、慧差、像散以及它们的叠加,用本文提供的致动器排布方式可以将面形误差校正到RMSλ/24以内,且对初级像散的校正能力最强,慧差和球差次之;竖直放置时的重力变形加上3种低阶像差的叠加也可被校正到RMSλ/24。在得到主动支撑的0.5m实验镜的初始面形结果后,重新计算了优化力和面形误差,结果表明,计算结果和实际装调结果基本一致,RMS约为λ/7。计算分析了超薄镜面形未能达到预期目标的原因,提出了适当增加致动器和提高超薄镜初始面形精度的改进方案,并最终使超薄镜面形达到RMSλ/20的要求。

大型轻质反射镜加工支撑状态的有限元分析研究

根据大型轻质镜加工过程中的受力情况 ,用有限元对镜子进行静力学分析和计算。分别计算了镜子的自重、磨盘正压力、磨盘剪切力等对镜面变形的影响情况。根据镜面变形规律设计了一系列支撑结构 ,最终确定了符合面形质量要求的支撑结构。

空间太阳望远镜1m主镜支撑结构的研究

本文对正在预研中的空间太阳望远镜的关键部件之一1m主镜,提出一种合理的支撑结构系统,此系统可以兼顾空间太阳望远镜光学系统的地面装校调试的有效性和火箭发射力学环境中的安全性以及入轨后正常观测时的高精度性。

特殊双排结构围护基坑周围地面沉降控制

介绍一种特殊的双排桩围护结构,为了了解该围护结构周围的地面沉降,有效地控制该围护结构周围地面的变形,运用有限元法分析该结构基坑的周围地面沉降情况,通过对比说明该双层围护结构的使用起到了降低基坑周围地面沉降的作用.对该双层结构设计参数进行分析,分析表明,基坑周围地面沉降量随两道围护结构叠加深度和内部围护结构嵌入比的增加而减小,当基坑外超载5～10kN/m2和20～30kN/m2时超载影响范围分别为0.5和1倍的开挖深度.支撑刚度的增加能够有效地降低基坑周围地面沉降量.分析得到的基坑外侧最大沉降量与内外结构间距大致呈线性关系.

SMW工法在复杂条件下基坑支护中的应用研究

考虑某地下室工程地质条件及周边环境特点,提出了SMW(Soil Mixing Wall)工法支护方案,采用空间有限单元法分析了在不同支护结构型式、不同桩长、不同刚度条件下,支护结构位移及周边建筑沉降性状.结果表明:SMW工法加支撑的支护方式能有效地控制周边建筑沉降,SMW工法桩桩长对支护结构变形及地面沉降影响很小,支护结构刚度对支护结构变形与地面沉降有一定影响.

计算超薄镜最接近球面的非球面梯度法及有限元分析

利用超薄镜的弹性变形,通过主动光学技术将超薄球面镜变形为所需精度的非球面镜,可以避开大口径超薄非球面镜的制造难题。在分析了传统的非球面超薄镜最接近球面选择原则的基础上,提出了以非球面梯度作为选择原则的依据。针对一个实例,用非球面梯度法和最小二乘法分别求出两个最接近球面并对它们进行有限元法的变形分析,对它们变形后的面形精度和最大应力进行了比较。结果表明,在相同的边界条件、加载个数和加载位置的条件下,以非球面梯度法求出的最接近球面在变形后不仅应力小,且更有利于提高面形精度。

振动疲劳寿命分析在主镜支撑结构设计中的应用

通过随机振动峰值应力响应考核空间相机在随机振动环境下主镜支撑结构的可靠性存在一定的局限性。本文针对主镜支撑结构在随机振动试验中出现断裂的现象,采用振动疲劳寿命分析对结构的可靠性进行考察,提出了应用数值仿真技术预测结构随机振动疲劳寿命的方法。根据有限元和随机振动疲劳相关理论,采用振动疲劳分析软件对某空间相机支撑环柔节进行了随机振动疲劳分析,计算了疲劳寿命的大小及分布。比较仿真和随机振动试验结果表明,采用振动疲劳寿命评价随机振动环境下结构的可靠性是合理的,利用数值仿真技术预测结构的随机振动疲劳寿命是可行的。

4m SiC主镜的轻量化及支撑技术

为设计出结构合理的4m SiC轻量化主镜,本文借助于有限元法完成了扇形轻量化主镜的参数设计,确定了90个支撑点的排布方式,并提出了将36组轴向和侧向力促动器共同设置在主镜背面的力分散器上的支撑方案。通过建立轻量化主镜的有限元模型,计算出不同的俯仰角下主镜的重力变形和不同温度载荷下主镜的热变形情况。重力变形分析结果表明主镜光轴水平时,镜面最大变形误差RMS仅为14.7nm,满足设计指标要求;热变形分析预算出1℃的轴向温差引起的镜面面形误差RMS值为278.0nm。若要保证4m SiC轻量化主镜的镜面面形,则必须设计出合理的热控装置,保证主镜的轴向温差不大于0.1℃。

大口径反射镜侧支撑结构力学分析

从理论上论述了在真空望远镜主反射镜的几种侧支撑结构,并运用有限元法对之分别进行了分析计算,得到使用了不同侧支撑结构的真空望远镜主镜在不同观测角度时的表面变形结果,通过比较变形结果,得到使用新配方粘接剂的粘接侧支撑机构支撑效果更好。在已确定使用Grubb十八点底支撑结构后,分析了使用粘接剂的侧支撑结构主反射镜变形与应力情况。通过有限元分析结果,得出变形结果符合整个光学系统的公差要求,同时证明了使用改性粘接剂的侧支撑系统可有效减少光学件表面变形量。

基于主动约束阻尼层的次镜支撑结构设计

为了提高空间望远镜次镜支撑结构的动力学性能,利用主动约束阻尼层对次镜支撑结构进行了设计,主动约束阻尼层在柔性结构表面覆盖阻尼材料和压电陶瓷材料,是对柔性结构进行振动抑制的有效手段。首先建立了主动约束阻尼层的有限元模型,采用比例微分控制算法对压电陶瓷进行闭环控制,分析了阻尼材料厚度和控制增益对支撑结构阻尼特性的影响,结果表明增大阻尼层厚度或增大控制增益能够提高结构阻尼特性,但增大阻尼层厚度同时也会降低压电陶瓷的驱动性能。对空间望远镜整体结构的分析结果显示,覆盖主动约束阻尼层后支撑结构的固有频率会略微降低,但是次镜位置的频率响应明显下降,次镜的面型精度也有提高。

拼接主镜共相校正装置设计与测试

针对拼接主镜,开展子镜面共相校正装置的结构设计与性能测试。该装置整体采用粗调精调结合的两级式结构,主要由粗调级、精调级和横向卸载机构等部分构成。文章在基于有限元方法的装置整体设计与性能分析基础上,完成装置样件研制与基本性能测试。实测结果表明:该装置可平移±2.5 mm,校正精度约30 nm RMS(root mean square),带模拟镜面后固有频率约70.3 Hz,与设计结果相符,满足主镜系统技术指标需求。

主动光学镜面支撑结构的优化设计

对主动镜面的工作原理以及镜面支撑系统与面形精度之间的关系进行了理论分析。以口径400mm,厚10mm的薄镜面主动镜为例,利用有限元软件以及相关面形分析软件对其进行参数化建模,并对轴向支撑点的位置参数进行了敏感度分析及优化,从而给出了最佳的支撑点位置。

温差条件下组合色散棱镜支撑结构的实验分析

介绍了超光谱成像仪采用的组合色散棱镜的支撑结构形式,讨论了温度变化对成像的影响。根据使用需求选择了支撑座的材料,模拟了5～10℃温差条件下棱镜组件的变形情况。利用有限元法解决材料线膨胀系数不同所引起的棱镜反射面变形,并分析了采用聚四氟乙烯垫片做温度补偿后垫片的厚度及接触面积对石英棱镜面型的影响。实验结果表明,在支撑座和棱镜之间增加聚四氟乙烯垫片后,石英棱镜的面型达到了λ/6的指标要求。本文提出的优化方法为组合色散棱镜支撑结构的设计提供了参考依据。