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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

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]. 中国光学(中英文), 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]. 中国光学(中英文), 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/m2。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 1st to 6th modes in order

    图 11  Y向(a)和Z向(b)加速度频率响应曲线

    Figure 11.  Acceleration frequency response curves in (a) Y and (b) Z directions

    图 12  Φ500 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

    VariableDomainOriginalOptimized
    1/mm2≤(1)≤2.532
    2/ mm2≤(2)≤2.542
    3/ mm2≤(3)≤554
    4/ mm5≤(4)≤201015
    5/ mm2≤(5)≤443
    6/ mm−10≤(6)≤50025
    7/ mm−30≤(7)≤200−6
    8/ mm−50≤(8)≤200−48
    Mass/kg8.7633.26
    $ {\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}_{Y} $/nm5.4366.368
    $ {\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}}_{Z} $/nm25.7844.421
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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/nmRMS/nm转角/″线位移/μm
    重力_X27.5654.6720.8864.864
    重力_y27.5644.6630.8735.135
    重力_Z22.4333.8760.0071.358
    4 ℃温升10.2821.468
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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
    1140.366Rotate along Y-axis
    2145.386Rotate along X-axis
    3218.985Rotate along Z-axis
    4359.664Move along Z-axis
    5478.532Move along Y-axis
    6658.369Move along X-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

    OrderFrequency/HzLibration form
    1142.29Y-axis
    2147.68X-axis
    3320.10Z-axis
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  • [1] 董斌超, 张舸. 超轻量化SiC反射镜的制备及性能[J]. 光学 精密工程,2015,23(8):2185-2191. doi: 10.3788/OPE.20152308.2185

    DONG B CH, ZHANG G. Fabrication and properties of ultra-lightweight SiC mirror[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(8): 2185-2191. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20152308.2185
    [2] 赵文兴, 张舸, 赵汝成, 等. 轻型碳化硅质反射镜坯体的制造工艺[J]. 光学 精密工程,2011,19(11):2609-2617. doi: 10.3788/OPE.20111911.2609

    ZHAO W X, ZHANG G, ZHANG R CH, et al. Fabrication of silicon carbide lightweight mirror blank[J]. Optics and Precision Engineering, 2011, 19(11): 2609-2617. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20111911.2609
    [3] 康健, 宣斌, 谢京江. 表面改性碳化硅基底反射镜加工技术现状[J]. 中国光学,2013,6(6):824-833.

    KANG J, XUAN B, XIE J J. Manufacture technology status of surface modified silicon carbide mirrors[J]. Chinese Optics, 2013, 6(6): 824-833. (in Chinese)
    [4] ROBICHAUD J L, SCHWARTZ J, LANDRY D, et al. Recent advances in reaction bonded silicon carbide optics and optical systems[J]. Proceedings of SPIE, 2005, 5868: 586802. doi: 10.1117/12.617406
    [5] HADAWAY J B, ENG R, STAHL H P, et al. Cryogenic performance of lightweight SiC and C/SiC mirrors[J]. Proceedings of SPIE, 2004, 5487: 1018-1029. doi: 10.1117/12.552409
    [6] 张德坷, 曹英斌, 刘荣军, 等. C/SiC复合材料空间光机结构的研究进展与展望[J]. 材料导报,2012,26(13):7-11. doi: 10.3969/j.issn.1005-023X.2012.13.002

    ZHANG D K, CAO Y B, LIU R J, et al. Progress and prospect of C/SiC composites used in space opto-mechanical structures[J]. Materials Review, 2012, 26(13): 7-11. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1005-023X.2012.13.002
    [7] 徐宏, 关英俊. 大口径SiC轻量化反射镜组件的结构设计[J]. 红外与激光工程,2014,43(S1):83-88.

    XU H, GUAN Y J. Structural design of large aperture SiC mirror subassembly[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(S1): 83-88. (in Chinese)
    [8] 陈洪达, 史婷婷, 刘晓华, 等. 空间反射镜的轻量化及支撑设计研究[J]. 红外与激光工程,2014,43(2):535-540. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.02.037

    CHEN H D, SHI T T, LIU X H, et al. Lightweight and mounting design for primary mirror in space camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(2): 535-540. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.02.037
    [9] 袁健, 任建岳. 碳化硅反射镜轻量化结构的改进与优化[J]. 光子学报,2015,44(8):34-39.

    YUAN J, REN J Y. Improvement and optimization of lightweight structure for SiC reflective mirror[J]. Acta Photonica Sinica, 2015, 44(8): 34-39. (in Chinese)
    [10] 包奇红, 沙巍, 陈长征, 等. 中心支撑Φ610 mm圆形主镜的超轻量化设计[J]. 光子学报,2016,45(9):0912007. doi: 10.3788/gzxb20164509.0912007

    BAO Q H, SHA W, CHEN CH ZH, et al. Ultra-lightweight design of Φ610 mm circular primary mirror supported in centre[J]. Acta Photonica Sinica, 2016, 45(9): 0912007. (in Chinese) doi: 10.3788/gzxb20164509.0912007
    [11] 袁健, 沙巍, 陈长征, 等. 长条形反射镜的集成优化设计[J]. 光电工程,2015,42(6):85-89, 94. doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2015.06.015

    YUAN J, SHA W, CHEN CH ZH, et al. Integrated optimization design of rectangular reflective mirror[J]. Opto-Electronic Engineering, 2015, 42(6): 85-89, 94. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2015.06.015
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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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