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一体化铝合金反射镜的拓扑优化设计与分析

王上 张星祥 沙巍 朱俊青

王上, 张星祥, 沙巍, 朱俊青. 一体化铝合金反射镜的拓扑优化设计与分析[J]. 红外技术, 2022, 44(1): 61-65.
引用本文: 王上, 张星祥, 沙巍, 朱俊青. 一体化铝合金反射镜的拓扑优化设计与分析[J]. 红外技术, 2022, 44(1): 61-65.
WANG Shang, ZHANG Xingxiang, SHA Wei, ZHU Junqing. Topology Optimization Design and Analysis of an Integrated Aluminum Alloy Mirror[J]. Infrared Technology , 2022, 44(1): 61-65.
Citation: WANG Shang, ZHANG Xingxiang, SHA Wei, ZHU Junqing. Topology Optimization Design and Analysis of an Integrated Aluminum Alloy Mirror[J]. Infrared Technology , 2022, 44(1): 61-65.

一体化铝合金反射镜的拓扑优化设计与分析

基金项目: 装备演示验证项目
详细信息
    作者简介:

    王上(1996-),男,硕士研究生,主要从事光机结构设计。E-mail: ws790402497@163.com

    通讯作者:

    张星祥(1977-),男,博士,研究员,主要从事空间宽幅成像技术、精密装调与拼接技术、在轨测试与处理技术方面的研究。E-mail:jan_zxx@163.com

  • 中图分类号: TH703

Topology Optimization Design and Analysis of an Integrated Aluminum Alloy Mirror

  • 摘要: 针对口径为300 mm的一体化铝合金反射镜进行了拓扑优化设计,在反射镜光轴方向的自重载荷下,以整体柔度作为约束,反射镜最小体积作为目标进行迭代优化,得到了拓扑优化结果模型,根据其特征建立了实体模型并进行了参数优化,最终得到了总质量为2.08 kg、面形均方根RMS(Root Mean Square)为5.9 nm、轻量化率为70%的一体化反射镜结构。通过参数优化,结合与对比结构的对比验证了拓扑结构特征的有效性,并进行了支撑特性分析。中心六边形的支撑结构和半封闭的结构在自重工况下对面形精度的提升有极大贡献。中心六边形结构存在最佳支撑位置,即正六边形高度与直径比值为0.26。
  • 图  1  Astron公司的轻量化结构形式

    Figure  1.  Astron's lightweight structure

    图  2  Fraunhofer实验室的封闭结构形式

    Figure  2.  Fraunhofer's closed structure

    图  3  反射镜有限元模型

    Figure  3.  Finite element model of reflector

    图  4  拓扑优化的结果

    Figure  4.  Result of topology optimization

    图  5  设计区域底部

    Figure  5.  Bottom of design area

    图  6  初始模型

    Figure  6.  Initial model

    图  7  轴向自重仿真结果

    Figure  7.  Simulation results of axial self-weight

    图  8  轴向自重RMS值

    Figure  8.  RMS value of axial self-weight

    图  9  反射镜主要特征参数

    Figure  9.  Main characteristic parameters of reflector

    图  10  镜体高度对面形的影响

    Figure  10.  The influence of the height of the mirror body on the surface shape

    图  11  中心六边形大小对面形的影响

    Figure  11.  The influence of the size of the central hexagon on the surface shape

    图  12  优化结果

    Figure  12.  Optimization results

    图  13  中心圆形支撑结构

    Figure  13.  Center circular support structure

    图  14  无翻边开放圆孔结构

    Figure  14.  Structure of open circular hole without flanging

    图  15  内圈三角形筋板结构

    Figure  15.  Structure of triangular rib plate in inner ring

    表  1  Al6061的材料属性

    Table  1.   Material properties of Al6061

    Material Density/(g·cm-3) Young's modulus/GPa Thermal conductivity/
    (W·m-3·K-1)
    Coefficient of thermal
    expansion/10-6K-1
    Poisson's ratio
    Al6061 2.7 71 154.3 22.4 0.25
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    表  2  反射镜结构参数

    Table  2.   Structural parameters of reflector

    External diameter/mm Internal diameter/mm Radius of curvature/mm Height/mm
    300 80 610 45
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    表  3  其他特征参数的优化

    Table  3.   Optimization of other characteristic parameters

    Features Auxiliary rib plate position
    Lf/mm
    Round hole size
    D/mm
    Flanging size
    L1/mm
    Flanging thickness
    H1/mm
    Rib plate thickness
    Tj/mm
    Range 60-70 20-30 2-6 1-8 3-7
    Step 1 2 1 1 0.5
    Optimum 66 30 6 3 6
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    表  4  对比结果

    Table  4.   Comparison results

    Z: RMS/nm Z: PV/nm Y: RMS/nm Y: PV/nm
    Optimization results 5.888 26.039 5.884 32.884
    Center circular support structure 9.235 40.451 4.454 22.964
    Structure of open circular hole without flanging 6.232 27.737 7.203 39.019
    Structure of triangular rib plate in inner ring 8.297 35.722 5.042 27.561
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-13
  • 修回日期:  2021-02-25
  • 刊出日期:  2022-01-20

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