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Φ500 mm超轻量化SiC反射镜结构优化设计

赵宇,苏成志,赵贵军,杨光

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赵宇, 苏成志, 赵贵军, 杨光. Φ500 mm超轻量化SiC反射镜结构优化设计[J]. , 2020, 13(6): 1352-1361. doi: 10.37188/CO.2019-0201
引用本文: 赵宇, 苏成志, 赵贵军, 杨光. Φ500 mm超轻量化SiC反射镜结构优化设计[J]. , 2020, 13(6): 1352-1361.doi:10.37188/CO.2019-0201
ZHAO Yu, SU Cheng-zhi, ZHAO Gui-jun, YANG Guang. Structural optimization for the design of an ultra-lightweight SiC mirror with a diameter of 500 mm[J]. Chinese Optics, 2020, 13(6): 1352-1361. doi: 10.37188/CO.2019-0201
Citation: ZHAO Yu, SU Cheng-zhi, ZHAO Gui-jun, YANG Guang. Structural optimization for the design of an ultra-lightweight SiC mirror with a diameter of 500 mm[J].Chinese Optics, 2020, 13(6): 1352-1361.doi:10.37188/CO.2019-0201

Φ500 mm超轻量化SiC反射镜结构优化设计

doi:10.37188/CO.2019-0201
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 11873046)
详细信息
    作者简介:

    赵 宇(1992—),男,吉林松原人,硕士研究生,2014年于长春理工大学获得学士学位,现为长春理工大学机电工程学院硕士研究生,主要从事空间光机结构方面的研究。E-mail:zy_012269@163.com

    苏成志(1977—),男,吉林桦甸人,教授,博士生导师,2004年、2010年于长春理工大学分别获得硕士、博士学位,2013年于美国密歇根州立大学做访问学者,现为长春理工大学人工智能研究院副院长,主要从事现代检测技术及智能机器人研究。E-mail:chengzhi_su@126.com

  • 中图分类号:TH122

Structural optimization for the design of an ultra-lightweight SiC mirror with a diameter of 500 mm

Funds:Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 11873046)
More Information
  • 摘要:为满足超轻量化光学系统近衍射极限的性能要求,利用先进的CAE仿真与现代高性能SiC制作工艺,研究Φ500 mm SiC反射镜的超轻量化反射镜结构。首先,通过对比现有反射镜常用材料和制作工艺,选取反射镜材料。针对圆形对称反射镜结构特性,采用全等刚度设计,结合集成优化方法,设计反射镜结构形式。同时,采用背部支撑结构,完成反射镜组件结构设计。仿真结果表明:主镜质量小于5 kg,面密度小于20 kg/m 2。3个方向自重变形下及4 ℃温升工况下的面形误差(RMS值)均优于 λ/50;主镜组件的一阶谐振频率不小于120 Hz,动态响应分析表明最薄弱处应力小于100 MPa。满足反射镜设计要求,轻量化效果显著,结构稳定可靠。

  • 图 1本文光学系统结构图

    Figure 1.Structural diagram of proposed optical system

    图 2反射镜轻量化结构

    Figure 2.Three kinds of lightweight mirror structures

    图 3轻量化结构参数化分组

    Figure 3.Parameterized distribution of lightweight structure

    图 4优化前后模型

    Figure 4.(a) Original model and (b) optimized model

    图 5主镜优化迭代过程

    Figure 5.The iterative process of the primary mirror

    图 6筋的轻量化处理

    Figure 6.Lightweight design of ribs

    图 7背部支撑结构

    Figure 7.Back supporting structure

    图 8有限元仿真模型

    Figure 8.Finite element simulation model

    图 9静力学面形云图及应力云图

    Figure 9.Static surface shape nephogram and stress nephogram

    图 10主镜组件前6阶振型图。(a)~(f)分别是1~6阶振型

    Figure 10.The first six order mode shapes of the subassembly. (a)~(f) are the 1stto 6thmodes in order

    图 11Y向(a)和Z向(b)加速度频率响应曲线

    Figure 11.Acceleration frequency response curves in (a)Yand (b)Zdirections

    图 12Φ500 mm反射镜镜坯

    Figure 12.Φ500 mm mirror blank

    图 13镜面干涉仪检测图

    Figure 13.Mirror interferogram inspection chart

    图 14重力方向翻转180°后镜面干涉仪检测图

    Figure 14.Mirror interferogram inspection results by gravity fliping 180°

    图 15扫频特性曲线

    Figure 15.Amplitude-frequency characteristic

    表 1优化结果

    Table 1.Optimized results

    Variable Domain Original Optimized
    1/mm 2≤(1)≤2.5 3 2
    2/ mm 2≤(2)≤2.5 4 2
    3/ mm 2≤(3)≤5 5 4
    4/ mm 5≤(4)≤20 10 15
    5/ mm 2≤(5)≤4 4 3
    6/ mm −10≤(6)≤50 0 25
    7/ mm −30≤(7)≤20 0 −6
    8/ mm −50≤(8)≤20 0 −48
    Mass/kg 8.763 3.26
    $ {\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}_{Y} $/nm 5.436 6.368
    $ {\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}_{Z} $/nm 25.784 4.421
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    表 2反射镜组件面形精度分析结果

    Table 2.Analysis results of mirror surface precision

    载荷工况 PV/nm RMS/nm 转角/″ 线位移/μm
    重力_X 27.565 4.672 0.886 4.864
    重力_y 27.564 4.663 0.873 5.135
    重力_Z 22.433 3.876 0.007 1.358
    4 ℃温升 10.282 1.468
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    表 3主镜组件前6阶模态分析结果

    Table 3.The first 6-order modal analysis results of primary mirror subassembly

    阶数 频率/Hz 振型
    1 140.366 Rotate alongY-axis
    2 145.386 Rotate alongX-axis
    3 218.985 Rotate alongZ-axis
    4 359.664 Move alongZ-axis
    5 478.532 Move alongY-axis
    6 658.369 Move alongX-axis
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    表 4反射镜组件特性扫频结果

    Table 4.Test results of characteristic frequency for mirror subassembly

    Order Frequency/Hz Libration form
    1 142.29 Y-axis
    2 147.68 X-axis
    3 320.10 Z-axis
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出版历程
  • 收稿日期:2019-10-22
  • 修回日期:2019-12-17
  • 网络出版日期:2020-11-09
  • 刊出日期:2020-12-01

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