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空间合束主镜优化设计与分析

汤伟,刘立生,刘扬,邵俊峰,郭劲

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汤伟, 刘立生, 刘扬, 邵俊峰, 郭劲. 空间合束主镜优化设计与分析[J]. , 2020, 13(3): 442-450. doi: 10.3788/CO.2019-0161
引用本文: 汤伟, 刘立生, 刘扬, 邵俊峰, 郭劲. 空间合束主镜优化设计与分析[J]. , 2020, 13(3): 442-450.doi:10.3788/CO.2019-0161
TANG Wei, LIU Li-sheng, LIU Yang, SHAO Jun-feng, GUO Jin. Optimization and analysis of a primary mirror for a laser incoherent combining system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 442-450. doi: 10.3788/CO.2019-0161
Citation: TANG Wei, LIU Li-sheng, LIU Yang, SHAO Jun-feng, GUO Jin. Optimization and analysis of a primary mirror for a laser incoherent combining system[J].Chinese Optics, 2020, 13(3): 442-450.doi:10.3788/CO.2019-0161

空间合束主镜优化设计与分析

doi:10.3788/CO.2019-0161
基金项目: 与物质相互作用国家重点实验室自主基础研究资助项目(No. SKLLIM1805)
详细信息
    作者简介:

    汤 伟(1985—),男,黑龙江绥棱县人,博士,助理研究员,2014年毕业于中国科学院大学,获得博士学位,主要从事高能 系统光机结构设计及 辐照效应方面的研究。E-mail:twei222@163.com

    刘 扬(1988—),男,吉林长春人,博士,助理研究员,主要从事对流传热领域研究。E-mail:Liuyangdk@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号:TN244

Optimization and analysis of a primary mirror for a laser incoherent combining system

Funds:Supported by National Key Laboratory of Laser Matter Interaction (No. SKLLIM1805)
More Information
    Corresponding author:Liuyangdk@ciomp.ac.cn
  • 摘要:本文对 空间合束主镜进行优化设计与分析,以抑制强 空间合束系统主镜热畸变,提高主镜面形精度。首先,对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点,从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式;然后,利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析,并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计;最后,对主镜进行重力、环境适应性和基频分析,验证设计的合理性。分析结果表明:6光合束主镜在单束10 kW 辐照下,随着辐照时间的增加,镜面温升值和P-V值逐渐增大;辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃,P-V值为155 nm,受镜体结构影响,辐照区内热畸变值不一致,差值约占镜面P-V值的1/6;为改善热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化达54.5%,辐照区热畸变一致性好,镜面热畸变量减小了近1/3;不同俯仰姿态下,主镜重力变形值基本相同,不足10 nm;环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移,稳态温差值越大,主镜面形P-V值和镜面平移量越大;模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对 空间合束系统的设计提供依据。

  • 图 1Whiffle-tree九点支撑结构

    Figure 1.Whiffle-tree nine-point support structure

    图 2轻量化主镜模型示意图

    Figure 2.Structural diagrams of lightweight primary mirror

    图 3合束主镜温度、镜面P-V值与辐照时间t的关系

    Figure 3.Relationship between temperature、P-V value of primary mirror and irradiation time

    图 4微晶玻璃主镜有限元仿真结果

    Figure 4.Simulation results of Zerodur primary mirror

    图 5主镜的拓扑优化结果

    Figure 5.Topology optimization results of primary mirror

    图 6拓扑优化后主镜背部结构形式

    Figure 6.Back structure of primary mirror

    图 7主镜热畸变仿真结果

    Figure 7.Simulation results of primary mirror thermal deformation

    图 8主镜热变形仿真云图

    Figure 8.Simulation cloud chart of primary mirror thermal deformation

    图 93种工况下主镜重力变形云图

    Figure 9.Gravity deformation cloud chart of primary mirror under three different load cases

    图 10不同环境温度下主镜镜面P-V值

    Figure 10.P-V values of primary mirror in different ambient temperatures

    图 11环境温度为 (a) −20 ℃和(b) 60 ℃时主镜面形云图

    Figure 11.Thermal deformation cloud chart of primary mirror at −20 ℃ (a) and 60 ℃ (b)

    表 1常见主镜材料的热物理参数

    Table 1.Main parameters of common primary mirror materials

    材料 密度(g/cm3) 弹性模量(GPa) 比刚度(E/ρ:106) 比热C (J/kg∙℃) 热膨胀系数α(10−6/K) 热导率K(W/mK) 热畸变(α/K:10−8) 泊松比μ
    SiC 3.05 400 12.6 680 2.2 185 1.3 0.16
    Zerodur 2.5 92 3.7 821 0.05 1.46 3.4 0.24
    ULE 2.2 67 3.1 766 0.03 1.3 2.3 0.17
    Be 1.85 280 15.1 1 925 11.4 160 7.2 0.05
    熔石英 2.2 74 3.36 1 210 0.56 1.38 40.5 0.17
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出版历程
  • 收稿日期:2019-09-27
  • 修回日期:2019-10-15
  • 刊出日期:2020-06-01

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