高精度碳纤维反射镜设计方法研究

doi:B6CEEA6CA1B1A40B1D8B8A7A222BDBB9

	高精度碳纤维反射镜设计方法研究
	宫鹏
学位类型	硕士
导师	李耀彬 ; 刘震宇
	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	碳纤维反射镜经典层合板理论铺层角度误差像散像差有限元计算 Zernike多项式
摘要	随着世界各国对空间探索的发展,人们对空间飞行器等探测设备的要求也越来越高,无论是空间相机还是观测望远镜等都在朝着大口径,轻量化方向发展。碳纤维增强树脂基复合材料以其低密度,高比刚度等特性在反射镜制造领域有着广阔的应用前景。本文以碳纤维增强树脂基反射镜为研究对象,以获得高面形精度为目标,对反射镜的铺层方式及面形影响因素进行研究,通过理论分析,数值模拟及实验验证,实现了较高面形精度的平面反射镜制备。本文主要工作内容如下:针对碳纤维反射镜设计理论中最常用的经典层合板理论及热膨胀理论进行了系统性的阐述,介绍了层合板整体刚度矩阵的构建方法及对称均衡铺层层合板下的刚度矩阵特点和层合板的热本构方程,阐明了热应力与弹性本构方程的关系。着重研究了碳纤维反射镜单层的铺设方向,铺层方式,铺层角度误差及外界温度对反射镜面形精度的影响。以经典层合板理论和热膨胀理论为基础,研究了正则化刚度系数法原则下数种具有代表性的层合板铺层顺序的弯曲刚度系数矩阵与面内刚度系数矩阵的关系,并分析了如何通过设计铺层方式获得较佳的弯曲刚度准各向同性层合板的方法。此外,就铺层角度误差对反射镜面形精度影响的问题,着重分析温度影响下的对称均衡层合板,并以相对中面对称的单层为研究对象,推导了相关公式,从理论上说明了反射镜面形中的像散像差主要是由铺层角度误差所致。针对反射镜制造过程中存在无法避免的角度误差的事实,在理论研究的基础上进行了有限元仿真分析。基于COMSOL有限元计算软件,构建了直径70mm,厚度1.6mm的反射镜模型,并利用Monte Carlo随机生成服从正态分布的随机数作为角度扰动的数值进行有限元数值计算。针对热膨胀下反射镜模型的刚体位移问题,通过施加面内两个方向的位移积分约束和下表面的拉格朗日乘子位移约束来替代力的约束。然后运用Zernike多项式对有限元计算结果面形进行拟合,基于最小二乘法推导了计算Zernike系数的方程组的构建方法。对拟合的结果中各项像差进行分类分析,总结规律,得到每种铺层对于抵抗角度扰动变形能力的优劣性。最后,针对前面的理论研究,有限元数值计算和Zernike系数拟合研究设计了一系列实验分别进行验证。首先设计了两组铺层进行实验制备及像差检测,在控制其它影响变量的条件下定向分析铺层角度误差导致反射镜面形中产生像散像差的理论的正确性,然后从有限元计算的角度排布中选取数组,制备实验样片并进行检测,与有限元计算中对于铺层优劣顺序的排序进行对比验证。
页数	90
DOI	B6CEEA6CA1B1A40B1D8B8A7A222BDBB9
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/181722/63924
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	宫鹏. 高精度碳纤维反射镜设计方法研究[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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高精度碳纤维反射镜设计方法研究.caj（4089KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文