空间反射镜及其支撑结构的优化设计与分析

来源 :同济大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lss81
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
全文阅读
随着对大口径空间望远镜日益需求,反射镜的口径不断增加,对于镜面的精度也提出了更高要求。但随自重增加会引起镜面变形的增大,而且环境温度变化也会引起镜面热变形的增大。如何增强其抵抗自重与温度变化引起的面形精度劣化的能力,是大口径空间光机结构研制的关键技术之一。
  本文以空间观测的望远镜光机系统为研究对象,对反射镜主镜结构、次镜结构、及相应的支撑结构进行了详细的优化设计,并从面形精度RMS值和基频方面进行了分析比较,得到主镜、次镜、支撑结构的最优设计方案。研究成果将为望远镜结构的工程设计提供借鉴,具有工程指导意义。
  首先,确定了镜面变形的评价标准,依据最小二乘法和Zernike多项式拟合法理论,编写了MATLAB面形拟合程序,计算面形精度的RMS值,检验设计结果是否满足要求。
  其次,以主镜质量最小作为目标函数,以镜面的最大变形量作为约束响应,以镜体各部位的厚度、半径作为设计变量,进行尺寸和形状联合优化,得到主镜结构的最终方案:背部9点支撑,镜体背部为三角形轻量化孔。
  然后,进行次镜结构的优化设计,采用背部3点支撑,以体积分数最小为目标函数,以镜面的最大变形量为约束响应,以设计区域内所有单元的密度为设计变量,从实体镜坯开始进行拓扑优化,得到材料的最佳分布;根据拓扑优化结果,建立次镜结构的初始有限元模型,以次镜质量最小为目标函数,以镜面的最大变形量为约束响应,以镜体各部位的厚度、半径为设计变量,进行尺寸和形状联合优化,得到次镜结构的最终方案。经对比发现,在RMS值与传统次镜结构相近的情况下,优化后的次镜结构达到更高的轻量化率。
  最后,对于幅杆式支撑结构进行了优化设计,根据基频和结构质量,比较分析三幅杆与四幅杆两种支撑方案,优选三幅杆支撑结构。以质量最小为目标函数,以最小基频为约束相应,以设计区域的单元密度、结构各部位的厚度为设计变量,进行拓扑和尺寸联合优化,得到支撑结构的最终设计方案。
其他文献
学位
学位
复合材料因其卓越的性能而在各类结构中得到越来越多的应用,包括大型民机、军机及车辆、船舶等。胶接作为复合材料结构的主要连接方式之一,其表面预处理的方法对胶接强度有显著影响。相较于手工打磨、喷砂等表面处理技术,激光表面处理具有优异的质量可控性与稳定性、无接触性、易实现自动化以及环境友好等优点。本文以碳纤维环氧树脂复合材料为研究对象,对激光表面处理复合材料胶接面的参数确定方法及其对胶接性能的影响规律进行
随着航天技术的发展,对卫星反射器天线的精度提出了更高的要求和挑战,本文以复合材料固面天线为研究对象,设计了新型复合材料格栅夹层结构形式,研究该种结构形式天线反射面的型面精度及其影响因素,并与传统铝蜂窝反射器结构的型面精度进行比较,最终得到优化后的设计方案。  首先,确定反射器表面精度的评价标准,编写RMS统计程序。  其次,建立恒温温度场下的简化板块模型,以板块结构变形量为评价标准,探究新型格栅形
结冰气象条件下,飞机穿越含有过冷水滴、冰晶等的云层时,在不开启防除冰系统时,飞机迎风部件很容易发生结冰现象。研究表明,飞机关键部位的少量结冰都会给飞机的飞行安全带来很大的威胁。因此,寻找行之有效的防除冰方法是十分重要的。目前的热学防除冰方法虽然可靠性高、操作简单,但是热能的利用率却很低,目前许多学者致力于研究新型的热学防除冰方法中。  本文首先整理了近年来热学防除冰方法的研究进展,并对近期热射流除
学位
装配协调是飞机装配制造的重要问题,合理的公差设计通过对飞机装配环节进行装配分析与控制,可以有效提高飞机部件的装配精度,保证飞机的装配性能和气动性能。随着工业制造水平的发展,传统的公差设计方法因为效率低、耗时长等缺点,已经无法满足自动化生产制造的进程,制约着现代化飞机制造的发展要求。本文利用计算机辅助公差设计技术,以机翼组件装配为例进行了公差分析与公差分配,完成对各装配环节公差的分析、控制与检验,保
学位
由于比强度和比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳等优点,纤维增强树脂基复合材料(FRPs)被广泛应用于航空航天、汽车、运动器材等领域。其中,层合结构是最常见的工程应用形式,在实际应用中,当面临横向或压缩载荷时,层合结构由于较弱的层间结构和层间性能,易发生分层损伤。分层的出现会降低FRPs的机械性能和结构完整性,最终导致结构失效。为提高层合结构的层间性能,传统方法是基体树脂增韧、铺层设计优化、缝合或添加韧性插层
学位
低温环境是我们实际生活和工业生产中经常遇到且不可避免的环境之一。应用在低温环境下的工程材料必须具备良好的低温力学性能、低温热性能及电性能。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)因其高强度和高刚度、优异的热导率和抗腐蚀性能等,已越来越广泛地运用到飞机结构、风机叶片、航天飞机、卫星、低温燃料储箱等高科技工程中。在这些工程领域中,其中一些CFRP结构(例如飞机上应用的CFRPs)可能会面临0~-60℃的
学位
Ti2AlNb金属间化合物以比重轻、耐高温、抗疲劳及蠕变性能好而被应用制作航空发动机叶片。发动机叶片作为发动机的重要热端部件之一,它的工作环境是十分极端、苛刻的,在飞机飞行的过程中会受到复杂的机械应力和交变热应力的叠加作用,因此对于此构件的疲劳性能、持久性和抗蠕变能力都提出了较高的要求。目前为止国内外对Ti2AlNb金属间化合物疲劳性能研究尚不多,对其疲劳损伤程度的研究和修复技术的探索更是鲜有,因
传统的玻璃纤维、碳纤维增强复合材料目前已在全球范围内大规模应用,然而大量难以降解的复合材料废弃物已经对环境造成了巨大的影响。植物纤维增强聚乳酸(PLA)复合材料由于采用可实现全降解的绿色经济的原料,对于传统的复合材料尤其是航空内饰件的应用,有较好的替代性。目前对其各方面性能研究成为关注的热点,其中对其降解性能的研究对于其在航空航天、汽车等领域的应用具有重要的实际意义。  本文以挤出、注塑成型工艺制
学位