天基大口径单体反射镜结构优化及其支撑技术研究

doi:9697000B71C5B4ABC6BD03E17B79E4C3

	天基大口径单体反射镜结构优化及其支撑技术研究
	王忠善
学位类型	博士
导师	张景旭
	2019-06-01
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)
关键词	大口径反射镜结构优化人工神经网络精确约束重力补偿技术
摘要	随着空间光学技术的不断发展,对地观测分辨率的要求越来越高。而增大光学系统的口径是提高分辨率的重要途径,所以世界各国对天基大口径反射镜的研究呈现出空前的白热化状态。而天基对地观测用大口径单体反射镜,由于其不用拼接、面形精度高及支撑系统相对简单等优点,更成为工程师们研究的热点。由经验公式可知,反射镜的质量与反射镜直径的三次方成正比。空间遥感器反射镜质量的增加将提升巨额的发射成本,也会给反射镜支撑增加难度。同时质量增加也会降低反射镜组件特征频率,增大其动力学响应。本文引入人工神经网络用于反射镜镜体结构的参数优化。为了得到大口径反射镜结构优化中目标特性与设计变量的映射关系,基于BP神经网络建立了反射镜结构多参数优化的预测模型。首先选取了反射镜的镜体中心厚度、面厚、轻量化筋厚及反射镜最外圈壁厚四个参数作为网络的输入,选取反射镜一阶模态频率、质量及轴向重力作用下的面形误差作为网络输出。通过正交试验设计来选取网络的样本输入,并采用有限元分析软件计算获得对应的样本输出,得到BP神经网络的训练样本及检验样本。利用Matlab软件专门的函数,调整传递函数、隐层节点数及训练算法,建立满足误差要求的反射镜输出特性预测模型,模拟反射镜输出特性与输入参数之间的复杂的非线性关系。利用检验样本检验预测模型的泛化能力,结果表明网络对反射镜的质量与一阶约束模态频率的预测相对误差在3.83%以下,对反射镜面形误差均方根值的预测误差在7.09%以下,高精度的网络泛化能力为结构参数的优化提供了保证。最后应用该网络模型对反射镜结构参数进行了优化,得到了确定参数的反射镜镜体轻量化结构。大口径反射镜的支撑技术首先要考虑的就是反射镜的定位问题。本文详细介绍了用于精密仪器设计的精确约束理论,并提出了一种应用对偶线法则设计反射镜精确约束线图的方法,并用此方法设计了反射镜的三种精确约束方案,并根据约束线图中的自由度分配情况逐个进行了柔性支撑结构设计。通过有限元仿真软件对三种支撑方案的反射镜组件进行了静力学、温度适应性、前三阶阶模态频率及安全裕度计算,分析所有仿真数据并综合考虑实施重力补偿的便利性及所占空间等因素,选择了第三种支撑结构作为本研究的大口径反射镜的定位支撑。安装完柔性支撑结构的反射镜组件的温度适应性与一阶模态频率是相互矛盾的两个目标特性。既希望反射镜组件具备足够高的一阶模态频率又希望反射镜具备足够好的温度适应性。本文提出了一种高效便捷的反射镜柔性支撑结构多参数优化方法。利用多学科优化软件Isight集成调用有限元分析前后处理软件Patran、分析解算器Nastran、面形处理软件Matlab等搭建集成优化流程,并利用优化算法依据计算结果自动修改模型参数,自动进行迭代计算,直到目标函数最优。首先通过试验设计得到目标特性反射镜组件一阶模态频率及3摄氏度温升条件下表面变形均方根值与柔性支撑结构各个输入参数之间的关系图,再利用优化算法求解反射镜组件在一阶模态频率大于45Hz的约束条件下,使得反射镜组件具备最优温度适应性的柔性支撑结构参数。通过初始设计和优化后结果对比可以看出,优化后反射镜组件在温升3摄氏度作用下表面变形均方根值降低了31.6%,而且一阶模态频率保持不变。对于天基大口径反射镜,地面与在轨力学环境最大的不同在于重力环境。在地面状态大口径反射镜要进行重力补偿以确保天地力学环境状态一致或者近似。本文采用在反射镜背部放置力促动器的方式进行重力补偿,设计了机械式恒力输出机构作为重力补偿的促动器方案。通过详尽的有限元分析,确定了2.8m口径反射镜补偿支撑点位置,经过多次迭代计算,优化了重力补偿支撑点的位置及数量。通过计算,需要51个补偿支撑点才能使的反射镜面形误差均方根值保证在6nm以下。通过反向约束计算的方式确定了各点补偿力的大小,即先约束各个补偿支撑点,在反射镜面形达标时求出补偿支撑点的约束反力就是各点所需的补偿力。并以外力形式施加回反射镜模型进行验证,计算得到51个补偿支撑点对反射镜进行重力补偿后,反射镜面形误差均方根值能达到5.54nm,验证了该方法的合理性。
页数	142
DOI	9697000B71C5B4ABC6BD03E17B79E4C3
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63871
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	王忠善. 天基大口径单体反射镜结构优化及其支撑技术研究[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),2019.

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