基于热-结构耦合的光学系统尺寸稳定性分析.doc

西安电子科技大学硕士学位论文基于热-结构耦合的光学系统尺寸稳定性分析姓名：齐宪林申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：朱敏波20090101 本 文结 合大型 空 间 光 学 系统 的 热环境 尺 寸 稳定 性 研 究 工 作 ，阐 述 了 运 用光 、机 、 热一 体化设计 方 法 对 空 间 光 学 系统 进行 热设计 的 重要 性 ，及 其对 工 程 设计 工作 的 指 导意义 。 对 光 学 系统 的 研 究 背景 以 及 目 前 国 内 外 热光 机 集成分 析 方 法 的 研究 现 状 做了 介 绍 ，阐 述 了 光 学 系统 集成分 析 的 理论 ，包 括热一 结 构 耦 合分 析 的 理论和 热光 学 分 析 的 理论 。整体 改 变 ，采 用非 球 面 二 次曲面 方 程 ，对 不同 温 度环境 下 的 主镜和 次镜镜面 热变形进行 了 拟 合，得到了 相 应 的 曲面 方 程 ，为进一 步 的 光 学 分 析 提供了 输入条 件，得到了 不同 温 度环境 对 曲面 方 程 顶 点 曲率 半 径 的 影 响程 度。 依 据 主镜 镜面 方 程 ，单 独 建 立二 次曲面 的 有 限 元 模型 ，设定 三定 约束 形式不变 ，沿半 径 方 向设定 组约束 位 置 ，计 算得到了 曲面 节点 位 移 随 约束 位 置 的 变 化规律，并 分 析 得出对 曲面尺 寸 稳定 性 影 响最 小和 最 大的 约束 位 置 以 及 整个曲面 的 变 形趋势。 这 些 为光 学 系统 的 热控提供了 分 析 依 据 。尺 寸 稳定 性热一 结 构 耦 合二 次 曲面 拟 合 甌 学位 论 文 独创性 虼 葱滦 声明申 请 学位 论 文 与 资 料若有 不实之 处 ，本 人 承 担 一 切的法 律 责 任。本 人 签名：日期丝丕兰：皇本 学位 论 文 属 于保密 ，在一 年解 密 后适用本 授 权书。 绪 言 的研究 工 作 ，这 种空 间 望 远制 口 径为 的空 间 太 阳望 远 镜 墓 瓜 搿 的主 体 结构 为 圆 柱 形 桁 架 结构 ， 由 于 可 展 开 光学 系统 结构 的复杂 化，不仅 对 系统 本 身 的精 度要 求 更 高 ，而且对 其支撑 结构 、 展 开 机 构 及对 工 作 环 境 的适 应能 力提 出了 更 加 苛 刻 的要 求 。 光学系统 在 整 个 工 作 历 程中 ，历 经 地面 阶 段 、 发 射运 载 阶 段 、 展 开 阶 段 及在 轨 飞 行 阶段 等 各 种环 境 工 况 ，受 到 机 械 、 热 、 空 间辐射等 严酷 的环 境 载 荷 作 用 ，直 接对 光学 系统 的强 度、 刚度、 光机 结构 的尺寸 稳 定 性及光学 元 器 件 的光学 性能 构 成 威 胁 ，使空 譐光学 系统 的研制 与 开 发 面 临 严峻的挑战” 。 了 可 能。进 入 九 十 年 代 ， 各 学 科 都 有成 熟 的软 件来 解决 本 学 科 内的问 题 ， 而 且接 口 问 虽 然 国外 对 大 型空 间 光 学 遥感 仪 器 的 热 变 形研究的 比较 早 ，但到 目前 为止，很 少见 到关于 工 程实 际中 的 复 杂 模 型的 理论分 析 和仿 真 计算 资料。 尤 其是 针 对 大型的 光 学 遥感 器 ，其结构复 杂 ，分 辨 率高 ，对 温 度要 求 极其敏 感 ，因此 对 复 杂 模型的 热 结构稳 定 性 进行 研究是 今 后工 作的 一个重点，只 有这 样才 能 真 实的 模 拟 工程模 型，进行 更 精 确的 集 成 分 析 。 光 学 系 统 热 稳 定 性 研究意 义空 间热 环 境导致 在成 像 过程中 光 学 系 统 视轴 的 漂 移 、抖 动 和光 学 元件 发 生 面形变 化 ，影 响 成 像 质量 ，降 低 分 辨 力 。 把光 学 系 统 在空 间环 境 作用 下相 对 位 置 的 变化 和产 生 的 面 形变 化 等 统 称尺 寸 稳 定 性 的 变 化 。 因此 ，应该 对 空 间环 境 下成 像 光 学系 统 的 尺 寸 稳 定 性 进行 详 细 严 谨 的 分 析 ，以便选 择 更 有效的 分 析 方法，有针 对 性 地改 进遥感 器 的 设计，提高 其在空 间环 境 下的 光 学 性 能 【 】 。 本 文的研 究 对象是航天 院 正在 研 制的某 大 型 空间 望 远镜 的光 学 系 统 。该 空间望 远镜 不 同于 我 国 已 研 制 的其他光 学 遥 感器 ， 它具有地 面 像 元 零 点 几 米的分 辨 率 ，称 为是甚 高 分 辨 率 的遥 感器 。其口径 比 以 往我 国 研 制的光 学 遥 感器 都要 大 ， 主镜口径 ， 其主 镜 的形式 采用的是分 块可 展 开 成像 系 统 ， 而 非传 统 的整 体化形式 。整 个光 学 成像 系 统 采用折 叠 结 构 ， 在 发 射 时 折 叠 为一个可 接 受 的尺 寸 的有效载 荷 ，到 达 预 定 轨道 后 依 次 展 开 光 学 系 统 主结构、 主镜 以 及 其他部 件 ， 这 主要 是为了 减轻质 量， 降低 发 射成本 。因 此 该 光 学 系 统 体积大 ， 结构复 杂， 对温度 的影 响 特 别敏感， 为了 保 证光 学 系 统 的正常 工作 ， 需 要 进 行 多 学 科的集 成分 析 。为了 分 析 在一定 的热 控 措施 条件 下， 光 学 系 统 的热 环境对稳 定 性的影 响 ， 人 为设 定 环境温 度和 温度 梯度 ， 分 析 其主 镜 和 次 镜 镜 面 在 各种给定 的温 度 环境下的尺 寸 稳 定 性， 特别 是镜 面 曲率 半径 的变 化， 这 对工程实 际 有着 一定 的指 导意 义。 本 文的主 要 工作 根 据 热 一结 构 耦 合理论基 础 ， 对光 学 系 统 进 行 模型 简 化和 特 征 提 取， 利 用 第 二章 光 机热集 成 分 析 理 论 基础温 度场 是 指 某 一 时刻空 间各 点温 度分 布 的 总 称，是 时间和 空 间的 函 数 。梯 度表 示为劬劬：一弧五 ，挈玙 苦 卜 考 浑褪 。 卅 表 面 上的给 定 温 度 为 ： 第 二章 光 机热集 成 分 析 理 论 基础、 仁 痬 籘 为绝对 温 度 。 下 黑体 的辐 射 能 力， 其 辐 射 力表达式 为 ：材 料具有 热胀 冷缩特 性， 在温 度 作 用 下 会产生体 积 变化， 产生热应 变。当 结 构 的热应 变受到 约 束不 能 自 由 变形 时 ， 就会产生热应 力。 这里所 指 的约束可 能 是 外界环 境施 加 的约 束， 也 可 能 是 由 于 结 构 各 部分 之间 热膨胀 系 数 的差 异 引起 的相 互作 用 。 而 由 非均 匀 的温 度 分 布 即 温 度 梯 度 产生的热应 力最为常 见 。温 度 对 结 构 应 力和变形 的影 响不 仅 仅 在于 产生热应 力和热应 变， 材 料的机 械 性能 如弹 性模量 、 泊 松 比、 屈服 应 力、 热膨胀 系 数 等 往 往 随 着温 度 变化，也 会影 响到 结 构 应 力分 析 结 果 ， 这种 热应 力分 析 称 为 热弹 塑 性分 析 。 实 际 上 ，这里的热应 力分 析 包 含 了这样 的假 设 ， 温 度 影 响变形 而 变形 不 再影 响温 度 的无 耦 合情 形 。 物 体 匀 质 且 各 向同 性一一物 体 内 部各 点， 在所 有 方 向上 的物 理性质 第 二章 光 机热集 成 分 析 理 论 基础相 同 。 例 如 弹 性模 量 、 泊 松 系数等不 随坐 标 位 置 改 变 和 方 向 变 化 而 变 化 。以上两 条 是基本 假 设 ，如 在 线 弹 性范围 内 ，则 还 遵 循下列 两 条 规 律。 物 体 是完 全 弹 性的 一 一 物 体 在 外加载 荷作用 下引 起 变 形 ，卸载 后 就完 全 恢 复 ，没有 残 余 变 形 。 在 此情 况下应 力 应 变 成 线 性关系， 即 服从 广 义 虎克 定 律。 当物 体 进 入 塑 性后 ，这 个线 性规 律就 不 成 立 ，所 以称为 物 理 非 线 性。 ， 迹 ： 厂砂 厂。 铲 纺 稀 穄旷 等 虏逢 穧铲 警 纺 稀 穓 秒 ， 弦 ， 历 粕 回 谌 唇 詈 嚣 第 二章 光 机热集 成 分 析 理 论 基础驴黔 等一 割球 面 、乙 舯 ，亨县 彪 警 萞去 第 二章 光 机热集 成 分 析 理 论 基础高 分 辨 率光 学 遥感 器 要 求 达 到 或 接 近衍射 极限 ， 对 温 度 变 化非 常 敏感 。 一 方面 ， 主 结 构和 光 学 元 件 的温 度 波 动和 温 度 梯度 使 相机光 学 系 统 的光 学 间 隔 发 生变化， 光 学主 轴 发 生倾斜 ；另 一 方面 ， 光 学元 件 内 部 的温 度 波 动和 温 度 梯度 使 光 学元 件 的面 形 发 生变 化， 透 镜 内 的温 度 变 化还 将 引 起 折射 率的改 变 。交、线 性 无 关 的， 而 且 可 以 唯 一 的， 归 一 化描述 系 统 圆形 孔 径 的波 前边 界 。 另 外，优 化系 统 性 能 提供 了有效的方法对 于具有圆形 光 瞳镜 面 的系 统 ， 可 将 其归 一 化为 单 位 圆， 函 数 系 的正 交使 不 同 多 和 光 学设 计 者惯 用 的 像 差 系数 很 容 易建 立起 联 系， 每 一 项 都有很 明杵朋；底 函 数 系矿 ， 即 ：上 式 中 窍 凳 K兀 姆 秸 螅 瑈中的每 一 个 元 素 均满足方程： 第 二章 光 机热集 成 分 析 理 论 基础涉矿 沌 葛上 式 中矿 为 全体 所取 数 据 点 诘 的集 合， 矿 是 非 负 权 函 数 。后 镜 面 的节点 位 置 ， 最 乘法 原理 要 求：， 第 三章 光 学系统 热 结 构 耦 合 分 析第 三章 光 学系统 热 一结 构 耦 合 分 析 求 解 节 点 位移是 壳单 元， 糜谌 确 治觯 鳶 用 于 结 构 分 析。因此采 用 间 接 法 进行分 析 时 ， 通常是 先 建 立热 分 析 专用 的 有限 元模型， 所 选单 元均 为热 分 析 模块单 元，材 料属性 需要 定 义热 传 导系数 等热 性 能参 数； 而求 得模型的 温度场 后 ， 需要 另外建 立一个结 构 分 析专用 的 有限元模型， 所 选单 元均 为结 构 分 析单 元， 材 料属性 需要 定 义弹 性 模量 等力 学性 能参 数。 第 三章 光 学系统 热 结 构 耦 合 分 析系统 的有 限 元 建 模 是进 行所 有 分 析的基 础，建 立 模 型的合 理性 也直 接关系到分 析 结 果 的有 效 性 。在 有 限 元 分 析 过 程 中，从结 构 对 象 的实 际 模 型到 计 算 模 型的简化 和 物 理特 征 提 取的过 程 称为 结 构 对 象 的特 征 建 模 。在 实 际 问 题的分 析中，人们往 往忽 略 有 限 元 分 析 的特 征 建 模 这 一过 程 ，而 强调 直 接针 对 原 始结 构 对 象 的有限 元 分 析 ，实 际 上 这 两 个 方 面都 非 常 重 要，甚至 特 征 建 模 更能 反映 结 构 对 象 的力学本 质 。特 征 建 模 的过 程 也就是对 结 构 实 际 模 型进 行简化 的过 程 ，它需要分 析 人员具 有 相 应的数 学和 力学基 础、 工程 分 析经验 ，以 及 对 软 件的熟 练 操 作 ，以 便做出 准 确 合 理的简化 ，得 到 既能 反映 实 际 结 构 对 象 的特 征 ，又具 有 合 理离 散 方 案 的有 限 元 计 算 模 型。 第 一步： 建 立 单 块 主镜镜面及 支 捧 结 构 如 图 所 示；第 二步： 建 立 主镜分 块 镜组 件，如 图 所 示：第 三步： 建 立 展 开 状 态 完 成拼接的主镜，如 图 所 示；幽 展 开 状 态 完 成拼接的主镜驴图 光 学系统 第 三章 光 学系统 热 结 构 耦 合 分 析光 学系统 主镜镜面和 次镜镜面均 以 曲面为 输 入 条 件，曲 面方 程 为 ：主镜： ， 表 热 分 析 有 限 元 模 型材 料 及 单 元 属性导 热 系数泊 松 比 光 学 系 统 热一 结 构 耦 合 分 析 结 果单 块 镜 横 向温 度 梯 度 为 媸蔽 露仁 疽馔 既缤 口 单块 镜 纵 向 雠 硼由分 析 结果 可 以得出 以下 结论：镜 沿 半径方 向由外 到 内 ， 节 点位 移逐 渐 减小， 最 大 位 移出 现 在 顶 层 镜 面的外 端 第 三章 光 学系统 热 ，结 构 耦 台 分 析设 定 主 镜 分 块 镜 组 件 的 镜 面 温 度 为 妫 屑 湮露任 最底 温 度 为 ， 所 示，镜 面 位 移云， 瓿 善 唇 拥闹骶等 结 构 耦 合 分 析 所 示，计 算 的 基 于热 结 构 耦 台 的 光 学系统 尺 寸 稳 定 性 分 析 进一 步 提取 计 算 结 果 ，将 虽大 位 移分 解 为 直 角坐 标系下 的 三个 方 向 ，方 向 如 图 所 示，大 小如 表 所 示。 完 成拼 接 的 主 镜 的 镜 面 位 移随 温 差的 增 大 而 增 第 三章 光 学系统 热 结 构 耦 合 分 析固削 衽 向 镜 面 协 移云图由分 析 结 果 可 得出以下 结 论 ： 时 主镜镜面位 移 云图 ： ；节 焉 习 焉 。， 第 三章 光 学 系 统 热一结 构 耦 台分 析 整 个系 统 节 点 的位 移 云图其 有 大 致相 同 的分 布趋势 ，节 点 位 移 云图的分 布趋势大 致从底 端 支撑 杆 向 上 位 移 逐 渐增 大 ，最 大 位 移 均 出现在光 学 系 统 顶 端 次镜支 丰次镜镜面的距 离会 随着 温 度升 高而增 大 ， 冉 阜治 鼋 诘 銁 向 位 移 比较设 定 次镜和 主镜之 间 温 度变 化为 妫 粗 骶 滴 妫 尉滴 ，分 析 整 个 ” 表 现 在 较蛏稀 绫 荆 谥 嵯 蛭 露 忍 荻 任 不 变 的情 况 下，温度 第 四章 热环境下 光 学 系 统尺 寸 稳定 性 分析热环境下 光 学 系 统尺 寸 稳定 性 分析热环境造 成光 学 系 统镜 面 形变 ， 总 体 来 讲 可以 分为 三大 类 ： 第 一 类 是轴 向 温度 梯度 分布 ， 第 二类 是横 向 或 径向 温度 梯度 分布 ， 第 三类 是整体 温度 的 改变 。考虑到光学 系 统超轻 超薄 镜的 厚 度 仅有 几 毫 米 ， 温度 梯度 较 小 ， 因此暂 不讨论轴 向梯 度 引 起 的 面 形误 差 ， 而重 点分析 第 二类 和第 三类 温度 模 式 所 产 生 的 镜 面 形变 。根 据 之前的 分析 ， 第 二类 温度 模 式 所 对 应的 是热梯 度 问题 ， 由于 这类 问题 中主镜镜 面 的 温度 呈不对 称分布 ， 在 主镜 发 生 变 形的 时 候， 镜 面 变 的 不规则 起 来 ， 此时就不能 用 一 般的 标准方 程来 描 述， 需 要 一 定 的 方 法 来 描 述镜 面 的 形变 ， 通 常是采缸 为镜面 第 鼋 诘 阍 赯方 向 的 位 移 量 ， 得 娴慕诘 闶 多项式从 表的 分析 结 果 可以 得 出以 下 结 论： 热浸 透 下 光 学 系 统 尺 寸 稳 定 性分 析 第 四章 热环境下 光 学 系 统 尺 寸 稳 定 性分 析过 软 件分 析 求 得对 应 的 蚹 的值 。 表 表 示对 应 不同 热浸 透温度 下主 镜镜面 的曲 率半 径变 化 ，表 表 示对 应 不同 热浸 透 温度 下 次 镜镜面 的曲 率半 径变 化 。表 不同 热浸 透 温度 下 主 镜镜面 的曲 率半 径变 化曲 率半 径由 分 析 得出 下列 结论：的。 主 镜和 次 镜均 采 取 呈 正 三 角 形 分 布 的三 点 支 撑 固定 ，次 镜采 用规 则 的三 点约束，镜面 受 热膨 胀后 向外伸 展 ，曲 率半 径随 温度 升高 而 增 大 ，而 主 镜除 了在靠 近 中心 位置采 用三 点 约束外，分 块镜的支 撑 结 构 对 镜面 也 有很 强 的约束作用，主 镜镜面 受 热膨 胀后 ，分 块镜的约束限制 了整个 镜面 的伸 展 ，造 成 中心 向下 凹陷 ，故 而 镜面 的曲 率半 径随 温度 的升高 而 减小。 基 于 热结 构 耦 台的光 学 系 统 尺 寸 稳 定 性分 析 约束 位置对 二 次 曲 面尺 寸 稳 定 性影 响 分 析 模 型的建立痬 ， 第 四章 热环境下 光 学 系 统尺 寸 稳定 性 分析： 駂如 缸 鹾躺 濉 觥 叭锶 龇 肌 泻 蘸 誯 尽 啊 篿 舢 ； 批 蠡 鲞约 束 位 置 为 。由图 可 以 看出 ： 曲面 较蜃畲 笪 灰频 谋浠 媛捎隭 方 向 的基 本 一致 ， 第 四章 热环境下 光 学 系 统尺 寸 稳定 性 分析次 ， 阅 诘闹 行那 蛭灰浦底 钚 。 号 约 束 位 置 时， 曲面 整体 向 下位 移， 薹 一蕈蹶曾嚼： 翁 ； ； 、， 号 约 束 位 置 号 约 束 位 置 号 约 束 位 置 号 约 束 位 置 号 约 束 位 置 号 约 束 位