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基于有限元的空间光学相机SIC主镜设计研究

作　者: 董二伟
导　师: 黄旻；李立英
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 轻量化有限元法最小二乘法热－光学分析调制传递函数
分类号: V445.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

空间探测技术的发展对空间相机提出了越来越高的分辨率需求,主镜作为对分辨率起基础性决定作用的光学元件,其需求尺寸也越来越大。主镜口径的增大带来一系列需要解决的问题:反射镜因自重而引起的镜面变形增大;反射镜因镜体温度梯度而产生的镜面热膨胀变形增大;相机的发射成本增加等。因此,对于大中型口径空间相机主镜必须进行轻量化设计。主镜作为空间相机中最大的光学元件,面形精度要求高,使用空间热环境复杂,因此必须分析空间热环境变化对其成像质量的影响,对主镜使用环境提出温控要求。本文介绍了国内外关于本课题的研究现状,对比主镜常用材料的综合特性,选择碳化硅作为主镜材料。根据国内的加工技术条件,确定主镜的结构形式;运用有限元分析方法得出主镜最佳支撑位置,以及主镜最大变形与主镜一阶模态分布的关系;改变主镜背部各个参数分析主镜面形变化规律,根据镜面面形的变化趋势确定主镜合理的轻量化形式。采用动力学校核模拟的方式分析主镜的动力学特性,确认主镜设计的合理性。最终设计出平背型背部支撑最优化结构的主镜形式,其轻量化水平达69.6%,并与另一常用中心支撑结构对比,分析其优越性。本文对轻量化的主镜在均匀温度场、轴向温度梯度场、径向温度梯度场条件下的面形变化分别进行模拟分析。得出不考虑重力的影响,保证镜面面形精度的条件是:上表面温度大于下表面不超过0.3℃;下表面温度高于上表面温度不大于0.36℃;外径温度高于内径温度不大于0.6℃;内径温度高于外径温度不大于0.45℃。继续模拟了轴向及径向温差1～5℃时镜面的面形变化情况,并将模拟得到的综合面形变化带入光学设计软件模拟出其对光学系统传递函数MTF的影响。根据相机光学系统光学传递函数MTF随轴向及径向温度变化的结果及相机工作时的具体要求,对本相机温度控制提供参考依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-22
  1.1 课题来源和研究意义  11
  1.2 本文的主要研究内容  11
  1.3 国内外轻型SIC反射镜研究进展  11-17
    1.3.1 美国  13-15
    1.3.2 德国  15
    1.3.3 俄罗斯  15
    1.3.4 意大利  15-16
    1.3.5 日本  16
    1.3.6 法国  16
    1.3.7 中国  16-17
  1.4 空间相机发展趋势  17-19
  参考文献  19-22
第二章有限元理论基础与主镜力学环境分析  22-36
  2.1 有限元法的基本原理  22
  2.2 弹性力学的基本量和基本方程的矩阵表示  22-28
    2.2.1 体单元的弹性力学基本量  22-23
    2.2.2 弹性体的基本方程  23-25
    2.2.3 对四面体单元的有限元计算  25-28
  2.3 主镜的模态分析理论与动力学环境分析  28-31
    2.3.1 模态分析理论  28-29
    2.3.2 动力学环境分析  29-31
  2.4 主镜的设计约束  31-32
  2.5 镜面节点数据的最小二乘拟合  32-34
  2.6 优化设计简介  34-35
  2.7 小结  35
  参考文献  35-36
第三章轻量化主镜初始设计  36-46
  3.1 主反射镜材料的选择  36-39
  3.2 轻量化主反射镜的加工方法和轻量化孔结构研究现状  39-41
    3.2.1 轻量化主反射镜的加工方法研究现状  39-40
    3.2.2 主反射镜的轻量化孔的结构形式研究  40-41
  3.3 主反射镜的背部形状及支撑方式的选择  41-43
  3.5 小结  43
  参考文献  43-46
第四章主反射镜的设计  46-62
  4.1 主镜的静力学分析  47-55
    4.1.1 支撑位置对主镜面形及模态的影响  49-51
    4.1.2 反射镜面板厚度对主镜面形及模态的影响  51-52
    4.1.3 反射镜筋厚度对主镜面形的影响  52-53
    4.1.4 背部支撑固定孔深度及尺寸对主镜面形的影响  53-55
  4.2 动力学校核  55-58
    4.2.1.模态分析  55-57
    4.2.2 冲击  57
    4.2.3 加速度过载  57-58
    4.2.4 正弦振动分析  58
  4.3 与中心支撑方式方案的对比分析  58-61
  4.4 小结  61
  参考文献  61-62
第五章主镜热与光学分析  62-74
  5.1 简介  62
  5.2 镜体均匀温度变化对主镜的影响  62-63
  5.3 主镜在温度梯度场作用下的变形  63-72
    5.3.1 主镜的边缘效应  64-65
    5.3.2 主镜在轴向温度梯度场作用下的变形  65-69
    5.3.3 主镜在径向温度梯度场作用下的变形  69-72
  5.4 小结  72-73
  参考文献  73-74
第六章总结与展望  74-76
硕士期间发表论文  76-77
致谢  77

基于有限元的空间光学相机SIC主镜设计研究

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