为简化某地基望远镜主镜的支撑方式，兼顾保障望远镜成像质量和精度，研究了460 mm口径单轴支撑碳化硅主镜的优化设计。首先，确定了相近线胀系数材料的单轴支撑方案和扇形的主镜背部结构，针对支撑结构和材料特性，利用先进的碳化硅烧结技术可制备异性结构的特性，结合优化设计理论，在满足主镜面型精度的前提下，对主镜进行了轻量化设计。优化后的主镜质量仅为4.82 kg，主镜水平状态下面型仿真分析RMS为λ/51.4。经实际工程验证，主镜支撑后水平状态下面型精度检测结果优于λ/42，轻量化效果显著并满足实际使用要求。本研究为工程项目提供了理论基础和技术储备。

Overview: In the fields of engineering and computational science, finite element analysis is a commonly used numerical simulation tool. Its accuracy and efficiency directly affect the reliability and computational cost of engineering design. However, traditional adaptive mesh refinement technology faces certain challenges in the pursuit of high-precision and high-efficiency collaborative optimization. Especially when dealing with engineering problems with singular fields or complex boundary conditions, traditional iterative methods often show the problems such as uneven gradient error distribution and slow convergence. These limitations not only affect the accuracy of the calculation results, but also limit the application of finite element analysis in complex problems. To address the above problems, this study proposes an adaptive mesh partitioning framework based on the attention fusion mechanism, namely GATv2-Transformer fusion network (GTF-Net). This method transforms the mesh partitioning problem into a node classification problem. Each mesh node is regarded as a node in the graph, and the edges between nodes represent the relationship between units. The relationship between mesh units is modeled using graph neural networks, thereby achieving adaptive adjustment of mesh partitioning. Graph neural networks automatically adjust the mesh structure by learning these relationships. The network innovatively combines the graph attention mechanism with the Transformer architecture, and realizes the dynamic coupling of local geometric features and global physical fields through multi-head cross attention modules, effectively improving the representation ability of complex environments. The analytical solution of multiple equations is introduced into the network training, and a multi-task learning objective is constructed to ensure the generalization performance of the model under different physical field characteristics. The typical optical waveguide transmission problem example and the solution results of the first-kind Bessel function show that compared with the traditional skFem method, GTF-Net has improved the calculation speed while reducing the standard deviation of the gradient error by more than 20% (the Bessel function case is reduced by 23.8%, and the optical waveguide case is reduced by 85.9%). The experimental results show that the network significantly improves the matching degree between the grid density distribution and the physical field changes through nonlinear mapping of the feature space, and the method has a certain generalization ability and can adapt to different types of problems and application scenarios. This method provides a new deep learning solution for adaptive finite element analysis in engineering calculations, and also opens up a new technical path for the development of data-driven intelligent finite element analysis.

上海硬X射线自由电子激光装置（Shanghai HIgh-repetition-rate XFEL aNd Extreme Light Facility，SHINE）具有高亮度、全相干性和高重复频率等特点。对于高重频硬X射线进行聚焦时，复合折射透镜（Compound Refractive Lens，CRL）需要承受高热负载，甚至会出现由高热应力引起的光学器件性能失效问题。为了确保CRL聚焦镜的热应力在许可限定范围内和CRL聚焦镜在高重频X射线下保持良好的光学性能，采用有限元方法（Finite Element Method，FEM）进行热分析，优化了X射线的最大许可重频，以降低CRL聚焦镜出现高热应力的风险，从而有效预防其光学性能的失效。通过优化设计，当光子能量为7 keV时，CRL聚焦镜最大热应力降低了93%，从1 008 MPa降低至74 MPa，有效预防了CRL聚焦镜高热应力问题。在实现X射线工作重复频率最大化和控制其热应力在许可范围内的同时，也确保了CRL聚焦镜在高重复频率下保持其良好的光学性能。

激光技术的发展给飞行器红外光学系统带来极大挑战，而光学窗口是红外光学系统抗激光损伤的最薄弱环节。文中针对ZnS光学窗口设计了多层薄膜结构，使其在提高3~5 μm波段光学透过率的同时，具备对1.06 μm激光的防护能力。首先，构建了激光作用多层膜的光热响应模型，并通过仿真计算获得了膜层厚度、折射率和消光系数等参数对光学窗口薄膜的光学性能和热效应的影响关系。研究结果表明，以HfO₂/SiO₂作为多层膜基本膜堆，当最外三层薄膜物理厚度误差在−3.3%~3.3%范围时，膜基界面温度变化最大为27 ℃，1.06 μm波长处反射率和3~5 μm波段内平均透过率变化均小于1‰，对多层膜光热性能影响较小；当两种膜层材料的折射率差值增大时，膜层内部电场的变化影响了薄膜的吸收率，使膜基界面温度呈现出先降低后升高的现象；多层膜的膜基界面温度随膜层材料消光系数提高而升高，且低折射率材料对激光热效应的影响权重更大。研究结果可以为激光防护/中红外增透多层膜的抗激光损伤设计和制备提供参考。

针对大口径折射式空间望远镜的轻量化需求，采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法，在经验结构设计的基础上对镜筒结构（Φ154 mm×190 mm）进行优化并重构新构型。首先，建立几何模型并采用有限元分析方法进行拓扑优化，获得合理的结构模型；随后，对其进行尺寸优化，确定最优结构参数。基于优化结果重构镜筒模型，并进行力学分析以验证其结构性能。静动力学分析结果表明：在5 ℃均匀温升和轴向重力耦合工况下，大口径透镜的面形PV值最大为9.62 nm，RMS值最大为2.21 nm，满足PV<λ/10，RMS<λ/50(λ=632.8 nm)的设计要求。系统基频为2 074 Hz，满足刚度要求；其镜筒质量从3.022 kg减重至1.053 kg，实现减重65.16％的轻量化效果；最后，通过整机试验测试，系统波像差为0.124λ，成像质量良好，满足空间应用需求。

针对热防护材料多孔结构和隔热特性导致非均匀加热下局部升温较快，横向热扩散效应显著的问题，文中基于光流法提出一种具有横向热流抑制（Transverse Heat Flow Suppression，THFS）的红外脉冲热波光流成像法。首先，通过光流法推导得到沿X方向和Y方向的热流矢量方程，并通过逆热扩散得到THFS图像序列方程。然后，通过COMSOL仿真建立不均匀线性脉冲热流激励三维热波模型，初步验证快速傅里叶变换结合THFS具有较好的归一化幅值/相位。在试验中，制备了16个不同直径与深度平底孔的热防护材料试件进行验证，并通过局部阈值分割方法量化缺陷位置及大小。试验结果表明，红外脉冲热波光流成像能够对最小径深比为5，最小直径 6 mm的缺陷开展检测，最大误差为5.17%，较传统方法误差降低7.5%，信噪比最大提升17.98%，证明该方法能够有效抑制热防护材料非均匀加热下横向热扩散显著的问题。

针对120 keV正离子源，设计了加速器的绝缘支撑系统，确定了绝缘体与支撑法兰的连接方式及相关参数，并通过有限元分析的方法，针对电场集中和连接支撑的问题，开展了绝缘支撑系统的优化设计。分别对绝缘体和电极进行静电模拟，确定了绝缘体的材料及结构参数，研究了加速器的绝缘性能。研究表明各绝缘体周围最大电场值低于4 kV/mm，电极间最大电场值约为14 kV/mm，满足120 keV正离子源加速器耐压要求。其次考虑离子源的垂直安装，在离子源重力作用下EG支撑法兰和绝缘体的连接螺栓要承受很大的正应力和剪应力，开展了加速器的机械性能研究。经过力学分析，螺栓最大正应力为26.336 MPa，剪切力为1.292 MPa。经过模拟分析，螺栓最大正应力为25.867 MPa，与理论解相差1.78%，小于材料的抗拉强度；最大剪切力为1.295 MPa，与理论解相差0.23%，小于材料的抗剪强度。研究结果表明120 keV正离子源加速器机械性能满足设计要求。

预应力激光弯曲成形是实现航天航空领域高强铝合金曲面板件无损伤精确弯曲成形的新方法，探明成形过程铝合金板料变形行为是合理调控板料变形的前提。本文运用有限元模拟方法，结合弹塑性力学中的应变能理论，对高强铝合金板料成形过程弹塑性变形行为进行了分析研究。结果表明：激光扫描过程，板料塑性应变能是由预加载后板内弹性应变能和激光能量转化而来；随着预载荷的增大，板料塑性应变能近似呈指数上升趋势；随着激光能量的增大，板料塑性应变能近似呈线性上升趋势；塑性应变能的升高主要源于更多弹性应变能的转化。基于分析结论，开展了高强铝合金壁板成形过程弹塑性变形调控验证，实现了曲面壁板的高效高精度成形。