红外与激光工程
2022, 51(11): 20220109
红外与激光工程
2021, 50(10): 20210477
1 中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所,江苏南京20042
2 中国科学院 天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所),江苏南京1004
3 中国科学院大学,北京100049
为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求,降低驱动功率,应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计,利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模,并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案,设计另外3种典型铺层方案进行对比,对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验,对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明:最优铺层方案为[±45°/90°/0°/90°/0°]s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×106 N/m,实验测得为7.463×106 N/m;有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m,实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz,振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%,静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。
光学望远镜 主镜室桁架单元 碳纤维复合材料 进化算法 优化设计 optical telescope primary mirror chamber truss unit carbon fiber composite evolution algorithm integrated optimization
红外与激光工程
2021, 50(2): 20200178
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所), 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
混合使用响应面近似模型和直接优化方法对主镜进行轻量化和支撑点布局集成设计,并以2.5 m地基光学望远镜的超低膨胀主镜为例,对该方法的参数敏感性分析、基于Kriging响应面多目标遗传算法的全局优化、基于混合整数序列二次规划梯度算法的局部优化过程进行研究,并采用折衷规划理论制定评价函数。集成优化结果表明,与相同尺寸的实心镜相比,主镜采用背部局部开放式六边形孔夹芯三明治结构时,轻量化率为72.13%。主镜轴向采用54点whiffletree被动支撑,在光轴竖直及重力载荷下镜面变形的均方根值为6.08 nm,各项指标均满足设计要求。
地基光学望远镜 轻量化设计 主镜支撑 集成优化设计 混合优化方法 光学学报
2020, 40(22): 2212001
1 长光卫星技术有限公司, 吉林 长春 130102
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
针对多光谱相机的整机设计秉承集成化、小型化和超轻质的设计理念,提出一种结合最小尺寸约束的变密度拓扑优化与多目标集成优化的设计方法,并借助此途径完成空间离轴微晶反射镜及背部支撑结构(消热芯轴、柔节和背板)的优化设计。对于尺寸为218 mm×166 mm的反射镜,质量为0.917 kg,轻量化率为71.3%,并对加工装配好的反射镜组件开展工程环境试验和面形干涉检测。试验结果表明,环境试验前后的反射镜镜面面形的方均根值均优于1/50λ,检测波长λ=632.8 nm,基频为397.8 Hz,满足光学系统的设计要求以及卫星平台对光学载荷的要求,验证所提方法的可行性和正确性。
光学器件 空间遥感器 离轴反射镜 集成优化 面形检测 力学试验 光学学报
2020, 40(19): 1923002
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 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
3 长春工业大学 机电工程学院, 吉林 长春 130012
为了在机载振动环境下获得满足光学性能指标要求的偏振成像光谱仪镜头的最佳结构性能, 建立了基于视轴抖动误差的优化模型, 并在Isight集成优化环境下对该模型进行了求解。首先, 阐述了视轴抖动误差影响光学系统性能的原理并根据光学系统模型和指标需求设计了镜头的初始结构; 其次, 推导了视轴抖动误差的计算方法并建立了基于视轴抖动误差的优化模型; 最后, 在Isight环境下, 使用多岛遗传算法对优化模型进行了求解。结果表明: 在满足镜头视轴抖动误差的要求下, 镜筒质量降低了17.4%, 镜头光学系统传函为0.4(77 lp/mm), 满足设计指标要求。提出的优化方法引入镜头视轴抖动误差作为优化约束, 拓展了光机结构优化的内涵, 为同类结构的优化提供了新的思路。
视轴抖动误差 光机结构优化 光学系统传递函数 集成优化 line of sight jitter error optomechanic structure optimization optical transfer function integrated optimization 红外与激光工程
2019, 48(1): 0118005
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
新型光学检测靶标能够在内场模拟复杂运动轨迹的外场目标, 得益于结构组件中直线运动系统, 但直线运动系统以悬臂梁形式安装, 跨距大、刚度低, 不能够保证靶标的检测精度。为此, 首先根据欧拉-伯努利梁理论, 提出了在有限空间内对其进行结构加强的解决方法; 其次, 结合线性模组结构动力特性, 在其周围合理布置加强梁、加强板, 并采用集成优化设计确定加强组件的最优尺寸; 最后, 对安装后的直线运动系统进行模态分析与测振实验。仿真分析与实验结果显示: 直线运动系统加固后整体结构一阶、二阶固有频率分别为36、55 Hz, 与仿真设计值32、54 Hz吻合的较好, 与加固前一阶固有频率14 Hz相比较, 提高了1.86倍。结果验证了加强组件设计的合理性与可靠性, 加强后的直线运动系统结构性能满足新型光学检测靶标所要求的质量轻、刚度高、抗干扰能力强等要求。
光学检测靶标 加强组件 结构设计 集成优化 optical testing target strengthening components structural design integrated optimization 红外与激光工程
2018, 47(6): 0617003