魏伟 1,2吴海鑫 1,2吴晓萱 1,2吴金斗 1,2龙雨 1,2,*
作者单位
摘要
1 广西大学省部共建特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室,广西 南宁 530004
2 广西大学机械工程学院激光智能制造与精密加工研究所,广西 南宁 530004
增材制造(AM)的零件若存在悬垂部件,则往往需要添加额外的支撑结构,这不仅会影响打印效率,而且拆除支撑也会引发新的问题。结构自支撑设计能使增材制造摆脱对支撑结构的依赖,现已成为国内外的研究热点。本文首先总结了增材制造结构自支撑设计的原理,接着综述了增材制造零件整体结构自支撑设计的研究进展以及增材制造填充结构自支撑设计的研究进展。其中,根据不同的结构优化方式,将增材制造零件整体结构自支撑设计进一步划分为基于连续体结构拓扑优化、离散结构拓扑优化和形状优化的结构自支撑设计,并分析了各类优化方法的优缺点。最后,讨论了提升计算效率以及提升结构性能的解决方案,并对未来的应用场景以及未来的研究重点进行了展望。
增材制造 结构优化 拓扑优化 填充结构 结构自支撑 
中国激光
2024, 51(10): 1002307
作者单位
摘要
“天琴计划”教育部重点实验室,天琴中心 & 物理与天文学院,天琴前沿科学中心,国家航天局引力波研究中心,中山大学(珠海校区),广东 珠海 519082
Overview: Space gravitational wave detection missions typically consist of three identical satellites, with two laser links between the satellites at an angle of sixty degrees forming a Michelson interferometer. The arm length changes are measured using high-precision inter-satellite laser interferometry. As a key component of the inter-satellite laser interferometry system, the telescope system needs to have picometer-level optical path stability, a wavefront error of λ/30, and stray light less than 10?10 of the transmitted power. To meet the requirements of space gravitational wave detection for the telescope system, an optical and mechanical integrated analysis and optimization method is proposed to design and optimize the primary mirror and its supporting structure. The off-axis parabolic primary mirror adopts the side three-point support method, and the influence of the support point position on the mirror surface shape and the rigid body displacement under gravity conditions has been studied. Optimization of the size of the triangular lightweighting holes on the primary mirror has been performed, and density-based topology optimization has been used to optimize the support backplate while ensuring that the first-order mode of the primary mirror component remains essentially unchanged. The flexural matrix of the primary mirror component supported by a parallel bipod linkage structure was derived based on spinor theory, and an evaluation function for the support structure was established. The size parameter range of flexible support was preliminarily determined by Matlab analysis. A optical-mechanical integrated simulation platform is set up to optimize the parameters of the support structure using a weighted sum method to convert the multi-objective optimization problem into a single-objective optimization problem. The results showed that the first-order frequency of the primary mirror component system was 392.43 Hz. Under gravity and temperature loads, the deformation of the primary mirror surface was better than λ/60, the translational rigid body displacement was better than 2.5 μm, and the rotational rigid body displacement was better than 0.5 μrad, all of which met the design specifications. Under space thermal disturbance of 10 μK/Hz1/2, the size stability of the primary mirror component, represented by the displacement of the central point of the mirror, was at a level of 10 pm/Hz1/2.
引力波望远镜 Bipod连杆支撑 面形变化 尺寸稳定性 gravitational wave telescope bipod linkage support surface deformation dimensional stability 
光电工程
2024, 51(2): 230157
作者单位
摘要
1 深圳综合粒子设施研究院,广东 深圳 518107
2 中山大学 中法核工程与技术学院,广东 珠海 519082
储存环机械支撑的静力变形、调节精度决定各物理元件的定位精度,其动态响应特性间接影响着束流的稳定性,机械支撑是各物理元件的安装基础,保证磁铁、真空室、束测元件正确的安装、运行,发挥出相应的物理性能。主要从支撑的静力变形和固有频率两个方面对机械支撑进行优化设计。以深圳产业光源(SILF)共架支撑为例,利用SolidWorks和Ansys软件对储存环磁铁机械支撑进行设计、拓扑优化。详细阐述了储存环机械支撑设计、优化的过程,并将最终优化完成的支撑模型与磁铁模型进行装配,在尽量接近真实工况的基础上对整体支撑进行仿真计算,以确保支撑整体能够达到设计指标。
机械支撑设计 仿真分析 静力分析 模态分析 拓扑优化 mechanical support design simulation static structural analysis modal analysis topology optimization 
强激光与粒子束
2024, 36(1): 014001
作者单位
摘要
长光卫星技术股份有限公司,吉林 长春 130033
为解决传统柔性支撑中小口径空间反射镜组件热稳定性与结构刚度间的矛盾,提出了一种新型刚性支撑结构,并为某高分辨率空间相机研制了通光口径?214 mm的高精度次镜组件。采用“镜体-锥套-支撑筒-刚性基板”组合,通过延长、优化热应力在组件内部的传递路径实现了消热目的。刚性支撑次镜组件重2.6 kg、4 ℃均匀温升工况下面形变化均方根(RMS)仿真值为2.573 nm,装调重力工况下镜体倾角和位移分别为2.028″、0.566 μm,与传统柔性支撑方案相比具有突出的优势。实测次镜的面形精度RMS为0.0181λλ=632.8 nm),在16 ℃及24 ℃时次镜面形变化量不超过0.0025λ;组件基频达到502.1 Hz,在快速高低温循环及大量级振动后次镜面形基本维持不变;装配容差测试中,次镜在0.02 mm不平度的作用下仅发生微弱变形。刚性支撑结构可以显著提升中小口径反射镜工作性能,在遥感器光机结构研制领域内具有广阔的应用前景。
空间光学 反射镜 刚性支撑 消热 面形精度稳定性 
激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0522005
胡伟南 1,3冯颖 3,4王迪 1,*闫星辰 2[ ... ]陈思敏 5
作者单位
摘要
1 华南理工大学机械与汽车工程学院,广东 广州 510641
2 广东省科学院新材料研究所,广东 广州 510075
3 广州城市理工学院机械工程学院,广东 广州 510800
4 澳门城市大学创新设计学院,澳门 999078
5 深圳市金石三维打印科技有限公司,广东 深圳 518107
为了实现激光选区熔化(SLM)无支撑低角度成形,进而提高样件的成形效率和降低打印成本,笔者提出了一种基于加工层角度自适应下表面工艺区域的划分方法,并对该方法成形的样件的表面质量以及该方法的适用性进行了探究。结果表明:过高或者过低的能量密度都会对悬垂区域的多层成形产生负面影响,采用适熔工艺成形悬垂结构能在保证低孔隙率的同时实现多层打印。将悬垂结构进行上、下、内表面区域划分,基于向下比较层数T进行区域面积调控能够显著影响悬垂样件的可制造性和结构完整性,应用下表面工艺区域的面积越大,悬垂样件的成形性越好。对上下表面的成形机理进行了深入分析,结果显示,下表面的成形质量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影响,而上表面除了受粘粉影响外,还主要受阶梯效应和轮廓边界熔道间隙的影响。最终,成形了不同尺寸的测试样件以及最低角度为15°的叶轮零件,证明了所提低角度成形方法的可行性。
激光技术 激光选区熔化 支撑打印 低角度 成形机理 表面质量 
中国激光
2024, 51(4): 0402303
作者单位
摘要
北京空间机电研究所先进光学遥感技术北京市重点实验室,北京 100094
离轴三反光学系统多采用长条形反射镜,为尽可能提高反射镜面形精度,其支撑结构形式多为柔性支撑;为了在保证结构力学性能的基础上满足轻量化的需求,支撑亦多采用壳体点阵结构。本文基于尺寸优化技术,建立了长条形反射镜的参数化有限元模型以及双轴圆弧切口柔性铰链支撑的多参数优化模型,分别应用可行方向法及自适应响应面优化算法得到了质量约束下刚度最优的反射镜面板、筋板厚度参数以及刚度约束下镜面面形最优的柔铰支撑几何尺寸参数,并应用参数试验方法对该柔性支撑安装角度及安装轴向位置进行了独立变量的影响分析。对于背板的设计,本文提出了一种基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法,采用贪婪三角化投影算法对点阵结构包络生成的点云进行网格重构,保证了点阵结构模型的连续性与真实性。经过仿真验证,优化参数下重力、温度、强迫位移各工况下反射镜综合面形误差(0.018λ)和装调方向重力下刚体位移(0.007 mm)均达到最优。表明基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法合理可行,可推广应用于类似结构形式的反射镜支撑。
长条形反射镜 柔性支撑 点阵结构 点云 优化算法 
光学学报
2024, 44(2): 0222002
作者单位
摘要
西安应用光学研究所,陕西 西安 710065
主、次镜支撑技术是共光路光学系统的关键技术之一。针对在±60℃温度变化范围内工作的机载共光路光学系统,根据热膨胀系数匹配原则分别选择殷钢和ULE、钛合金和K9配对作为主、次镜及支撑结构的材料,并设计了高刚度无热化柔性支撑结构。最后,利用自研的光机联合仿真程序对主、次镜面型及整个光学系统的成像质量进行了光机一体化分析。分析结果表明:殷钢和ULE配对时,在±60 ℃均匀温差和10 ℃轴向、径向温度梯度下,主、次镜去除离焦后面型优于(1/100)λ,整个光学系统点列图RMS半径小于艾里斑半径,相面中心波前优于(1/50)λ,MTF@63 lp/mm优于0.45,无热化柔性支撑的一阶固有频率高达263 Hz;钛合金和K9配对时,60 ℃均匀温差下系统成像指标满足使用要求,10 ℃轴向、径向温度下成像质量无法满足使用要求。对装调完的殷钢和ULE配对光机系统进行了低温下分辨率测试,分辨率无明显变化,说明设计及分析可行。
共光路 光机一体化分析 柔性支撑 温度梯度 common optical path opto-mechanical integration analysis flexible support temperature gradient 
应用光学
2023, 44(5): 998
李小明 1,2郭名航 1,2刘赢泽 1,2姚嘉龙 2[ ... ]陈希来 1,2
作者单位
摘要
1 长春理工大学 机电工程学院,吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心,吉林 长春 130022
为了保证平背伺服摆镜的镜面精度和支撑刚度,设计了一种周边柔性支撑的方案,通过对摆镜与镜座粘接处机械结构进行切口处理形成铰链结构,降低结构刚度,减小结构变形产生应力的影响。由于摆镜形状、粘接点位置、柔性支撑结构参数较多,并且相互耦合,首先采用正交实验法对摆镜主要参数进行分析与优化,确定摆镜形状尺寸参数和粘接点位置,随后优化设计摆镜柔性支撑结构。仿真分析和实验表明,采用该周边柔性支撑后,摆镜组件一阶频率为446.66 Hz,在±5 ℃温升(温降)和标准地球重力共同作用下,最大面形误差RMSλ/42.87,能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。随后使用 ZYGO 干涉仪在 (23±5) ℃ 温度范围内对加工装配后的摆镜面形进行检测,结果表明,摆镜面形PV值优于λ/5.1,RMS优于λ/43.28,满足 RMSλ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。
激光通信 柔性支撑 正交优化 周边支撑 摆镜 laser communication flexible support orthogonal optimization peripheral support pendulum mirror 
红外与激光工程
2023, 52(12): 20230336
姚颖康 1,2,*张程 1,2聂森林 1,2王威 3
作者单位
摘要
1 江汉大学 a.省部共建精细爆破国家重点实验室,武汉 430056
2 江汉大学 爆破工程湖北省重点实验室,武汉 430056
3 武汉爆破有限公司,武汉 430056
为揭示钢筋混凝土支撑梁爆破拆除时爆破振动在深基坑支护体系中的传播特性,依托某深基坑钢筋混凝土支撑梁爆破拆除工程,分别在待爆支撑梁的相同层及其上一层布设振动测线,分析振动速度和主振频率在支护体系水平方向和竖直方向的传播规律,以及基坑围护结构的反应谱特征。测试分析结果表明:振动速度随距离增加而快速衰减,爆区50 m范围内,爆破层的振动速度是其上层的5~7倍,50 m范围外,爆破层的振动速度逐渐衰减为上层的1~2倍; 爆破层振动速度的三向分量有明显差异,其径向分量最大,是竖向分量的2~5倍,非爆破层振动速度的三向分量较为接近; 支撑梁爆破拆除振动频率为高频振动,爆破层振动频率略小于非爆层,二者在基坑支护结构处均存在陡增现象; 支撑梁爆破拆除时,基坑围护结构的短周期反应谱明显超出设计谱,爆破振动会对围护结构产生一定影响。相关成果可为支撑梁爆破拆除设计、振动控制和深基坑围护结构动力响应分析提供参考,同时为进一步的研究提供测试基础。
深基坑 支撑 爆破拆除 爆破振动 反应谱特征 deep foundation pit support beam blasting demolition blasting vibration response spectrum 
爆破
2023, 40(1): 108
作者单位
摘要
1 中国科学院 光电技术研究所, 四川 成都 610000
2 西南技术物理研究所, 四川 成都 610000
星-地激光通信具有通信距离远、传输信道复杂等特点, 为建立稳定可靠的星-地激光通信链路, 需要建立大口径的地面站。着重研究了地面站中500mm大口径主镜柔性支撑的点位分布及结构尺寸。让主镜组件既满足刚度需求, 也具有柔度缓解其自身动态误差。在Isight平台建立光机热耦合的优化流程。运用Zernike多项式拟合面形得到精准的镜面RMS值; 并以此为优化目标, 获取柔性支撑点位的最优解及柔性杆尺寸参数的最优解。经过优化, 主镜组件可适应温度范围扩大了约30℃; 在俯仰角度变化下, 主镜RMS值下降约2nm。对设备进行了相关试验, 主镜面形均满足指标要求小于0.08λ。
激光通信 主镜面形 动态误差 光机热耦合 柔性支撑优化设计 laser communication main mirror shape dynamic error optical, mechanical and thermal coupling optimal design of the flexible support 
光学技术
2023, 49(4): 398

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