激光空间合束主镜优化设计与分析

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析,以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变,提高主镜面形精度。首先,对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点,从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式;然后,利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析,并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计;最后,对主镜进行重力、环境适应性和基频分析,验证设计的合理性。分析结果表明:6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下,随着辐照时间的增加,镜面温升值和P-V值逐渐增大;辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4℃,P-V值为155 nm,受镜体结构影响,辐照区内热畸变值不一致,差值约占镜面P-V值的1/6;为改善热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化达54.5%,辐照区热畸变一致性好,镜面热畸变量减小了近1/3;不同俯仰姿态下,主镜重力变形值基本相同,不足10 nm;环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移,稳态温差值越大,主镜面形P-V值和镜面平移量越大;模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。

空间相机中主镜的轻量化技术及其应用

对空间相机主镜的轻量化技术作了全面的总结和概括，阐述了主镜轻量化技术的一般考虑，总结了轻量化技术中主镜口径确定、材料选取、结构形式、基体形状、支撑方式、支撑装置的结构形式、热稳定措施及ＣＡＤ／ＣＡＥ应用。最后给出了主镜轻量化的典型应用实例，对其进行了光机热综合评估。

轻量砂变形及强度特性三轴试验研究

通过三轴试验系统研究了新型土工材料——轻量砂的变形及强度特性。结果表明,不同的配比、龄期使轻量砂具有不同的原生结构强度,围压使不同原生结构强度的土样处于剪胀或剪缩状态,导致发生应变硬化、应变软化以及相应状态下孔压的3种对应形态变化。变形模量随EPS(发泡聚苯乙烯)球粒掺入比的增大而线性减小,随水泥掺入比、龄期增大而线性增大,相同配比的土样变形模量与围压关系不大;三轴抗压强度随EPS球粒掺入比增大而呈负指数关系减小,随水泥掺入比、龄期、围压增大而线性增大,存在水泥掺入比阀值;土骨架转换效应对于土样强度的影响很大,造成了土体单轴、三轴抗压强度分带,高水泥掺入比能够大大弱化EPS颗粒的土骨架效应。结合前人成果,系统地研究了轻量砂密度、无侧限抗压强度的影响因素,引入材料学中比强的概念,提出了单价比强图结合配方公式的方法,对轻量土砂进行配方优化。分析了轻量土砂应力-应变关系转型问题,提出采用无侧限抗压强度来表征不同配比、龄期轻量土砂的原生结构强度。通过试验与数理统计,建立临界围压与原生结构强度的关系,为数值模拟计算与建立本构模型奠定了基础。

主反射镜轻量化工程分析计算

采用了空间遥感相机主反射镜背部打圆孔的轻量化方案，对轻量化主镜进行了ＣＡＤ实体模型构造及重量和轻量化率的计算，建立了轻量化主镜的有限元模型，进行了静力学和动力学分析和计算，并对轻量化和未轻量比的主镜的自振频率进行了比较。计算结果表明，主镜的轻量比设计满足技术要求，轻量化主镜的动态刚度、比刚度得到提高，轻量化率达３０％以上，并还有轻量化的余地。上述结果对主镜的改进设计有重要的意义。

黑色鳃金龟鞘翅微结构及其纳米力学性能

利用扫描电镜观测了黑色鳃金龟鞘翅的微结构,借助纳米压痕仪测试并分析了鞘翅材料的纳米力学性能.SEM表明:黑色鳃金龟鞘翅采用了由背壁层、中空芯层和腹壁层构成的中空夹芯层复合结构,在满足鞘翅强度的同时保证了鞘翅对轻质的要求;微观尺度下鞘翅表面呈现非光滑表面织构.纳米压痕试验测得鞘翅外表皮的硬度为0.48 GPa,弹性模量为8.81 GPa,鞘翅的比刚度和比模量分别为600 MPa.(g.cm-3)-1和1.1×104MPa.(g.cm-3)-1.鞘翅接触刚度为(2.28±0.16)×104N.m-1,表明鞘翅有很好的抵抗变形的能力.鞘翅纳米力学性能呈现各向异性,靠近鞘翅对接缝处最大,鞘翅外边缘区域最小,且由鞘翅头部至鞘翅尾部区域有逐渐减小的趋势.

基于有限元法的主镜轻量化结构设计及性能分析

分析各种形式的大口径轻量化主镜方案,确定了主镜六边形轻量化孔及结构设计,从理论上确定了轻量化的结构参数,主镜的轻量化率为90.3%。采用有限元方法分析轻量化主镜的自重变形以及热变形的情况;根据主镜的云图进行分析,通过分析镜面应力变形从而确定最佳的轻量化结构参数。研究有利于控制镜面变形,可以作为轻量化设计参考。

大型波束波导平面反射镜设计与仿真技术研究

针对大型波导波束天线中大型平面反射镜的需求,给出了一种新的结构形式与制造方法,能够满足平面反射镜的高精度、高刚度以及轻量化的要求。通过有限元分析优化设计,对比不同材料、不同结构形式下的平面反射镜的力学性能,分析对比了常见蜂窝夹层结构计算的等效方法。依据蜂窝夹层三明治夹芯板理论的有限元分析结果,采用铝合金材料加铝蜂窝复合成型的设计,合理地设计了平面镜结构形式以及连接形式,加工了3块平面反射镜。验证结果表明,所设计加工的平面反射镜达到了设计要求的精度、刚性以及轻量化的指标,可以满足工程的实际需要。

基于蜻蜓膜翅结构的飞机加强框的仿生设计

由于机动性和能耗的要求,飞机设计过程当中轻量化设计是十分重要的。经过亿万年的进化,在承受自身重量及生长环境的载荷过程中,生物体获得了适应环境的最优结构。通过分析蜻蜓膜翅和飞机机身加强框的结构相似性,提取决定蜻蜓膜翅结构优良力学性能的结构特征,将其应用到飞机机身加强框的设计当中,并用有限元工具验证了结构的优化效果。在同样的承载条件下,仿生型结构的比刚度比原型结构提高了2%-6%,比强度提高了1%-8%。同时,仿生型结构的最大应力减小,而最小应力明显增大,因此其应力分布更加均匀,从而体现了仿生结构件材料的优化分布和最大效能。