超轻碳纤维反射镜及支撑技术研究

CIOMP OpenIR

	超轻碳纤维反射镜及支撑技术研究
	左玉弟
学位类型	博士
导师	金光
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	碳纤维复合材料碳纤维反射镜 Bipod柔性支撑结构集成优化高压釜成型真空注射成型超精密加工面形精度有限元分析
摘要	现代空间遥感相机大都采用轻型材料及轻量化的方法对其主反射镜进行轻量化设计,旨在减轻其质量,在降低发射成本及支撑结构设计难度的同时,尽量控制光学表面的自重变形、提高结构的比刚度。碳纤维复合材料与传统的玻璃和金属材料相比,具有密度低、比刚度及比强度高、可轻量化设计、热膨胀系数小、易复制、无毒、不需特殊设备等特点,是较为理想的反射镜材料。国内对于碳纤维反射镜的研究基本处于理论或实验室研究阶段,并没有对碳纤维反射镜组件的优化设计、制备成型及光学加工等形成系统的技术方案。鉴于当前国内相关领域研究成果的不足,本文围绕碳纤维反射镜及其支撑结构这一主题展开了系统的探讨和研究。针对碳纤维铺层的方向、顺序及厚度会严重影响碳纤维反射镜面板刚度及面形精度的问题,详细阐述了碳纤维反射镜铺层的刚度设计原则、力学计算方法及材料选取,采用经典层合板理论建立了碳纤维对称层合板的理论模型,通过正则化刚度系数法并结合有限元分析,优化设计出了一种碳纤维准各向同性铺层方式[0°/90°/30°/-60°/60°/-30°]_S,使得碳纤维反射镜能够较好的承载力热载荷并保证其面板的面形精度。针对碳纤维反射镜对于比刚度、面形精度及热稳定性等的要求,设计了一种口径为?360mm,采用侧面三点支撑方案、三角形加强筋网格的背部半开放式超轻碳纤维反射镜。运用Isight集成软件及光机集成优化方法,以碳纤维反射镜的结构尺寸参数为变量,以面形精度和质量作为优化目标,开展了全局性、自动化的多目标优化。针对不同支撑结构形式对碳纤维反射镜面形精度的影响问题,采用MATLAB理论计算及光机集成优化方法设计出了一种Bipod柔性支撑结构,研究了Bipod柔性支撑结构的各项敏感尺寸参数,得出了Bipod柔性支撑结构的支撑点位置必须与碳纤维反射镜质心共面的结论。在确定了Bipod柔性支撑结构的最优尺寸参数后,对整个碳纤维反射镜组件进行了力学仿真分析,得到了碳纤维反射镜组件的刚度特性及动力学特性。针对碳纤维反射镜制备过程中的纤维印透现象、面板复制精度及镀膜工艺等问题,提出了一种合理有效的碳纤维反射镜制备工艺。采用镜面复制法同时结合高压釜成型及模压成型工艺制备了?360mm的碳纤维反射镜,并通过真空注射成型工艺在其镜面上附着一层均匀厚度的氰酸酯层来有效降低其表面的纤维印透现象,系统地介绍了碳纤维反射镜的制备成型工艺、镀膜、超精密加工及光学精磨抛光等技术。针对碳纤维反射镜组件的动力学特性,完成了碳纤维反射镜与Bipod柔性支撑结构的粘接试验,并通过动力学试验获得了碳纤维反射镜组件的一阶固有频率和动力学响应信息,验证了Bipod柔性支撑结构承受动力学响应的能力,利用试验测试结果,验证了有限元分析的准确性。本文系统地研究了碳纤维反射镜组件的优化设计、制备成型、光学加工及试验检测等技术。经有限元分析可得优化设计后的碳纤维反射镜组件在检测工况下的面形精度优于λ/50。采用镜面复制法制备了碳纤维反射镜,制备完成后的碳纤维反射镜的质量仅为1.85kg,密度为1.78 g?cm~(-3),具有较高的抗弯强度(300MPa)、断裂韧性(3.5 MPa?m~(1/2))及较低的热膨胀系数(-1.23×10~(-6)),同时,碳纤维反射镜组件的质量为2.45kg,其一阶自然频率为362Hz,动力学性能良好,柔性支撑环节工作稳定可靠。经过初步精磨抛光后的?360mm碳纤维反射镜的面形精度(RMS值)为0.045λ,优于λ/20(λ=632.8nm),处于国内领先水平,这说明碳纤维复合材料制备超轻反射镜的性能较好,工艺可行,对今后制备大口径甚至超大口径的超轻碳纤维反射镜具有一定的参考价值。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61560
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	左玉弟. 超轻碳纤维反射镜及支撑技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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超轻碳纤维反射镜及支撑技术研究.caj（10580KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文