（固体力学专业论文）LAMOST焦面板结构的设计及其变形规律研究.pdf

中国科学技术人学硕+ 论文l a m o s t 焦面板变形规律研究 摘要 人犬区面积多日标光纤光谱犬文望远镜( l a m o s t ) 是架横卧南北方向的中吊仪式 反射施峦特望远镜。廊州士动光学技术控制反射改l l 板，使它成为人口径兼人视场光学望远 镜的州：界之最。由r 它的人| _ | 释往喋光i5 小时内词以观测到暗达2 05 等的犬体。而由丁 它的人视场，在焦缸上可以放置4 0 0 0 撇光纤，将遥远火体的光分别传输剑多台光谱仪中， 同时获得它们的光谱，成为壮界上光谱获取率最高的塑远镜。它将成为我国天文学相二人规模 光学光谱观测中，在人视场天文学研究上，居丁国际领先的地位。而这也给4 0 0 0 根光纤的 定位问题提出了很高的要求作为安装4 0 0 0 根光纤的载体一焦面板的殴计就显得尤为重 要。本文针对l a m o s t 项目的芙键技术之一光纤定位系统中的焦孟板子系统展开l ! ：i f 究。 本文根据l a m o s t 光纤定位系统的技术精度指标，利州有限元人删分析软件a n s y s 对l a m o s t 焦面板及其支撑结构的形式及主要攻计参数的确定进行有限元数值分析，考虑 到l a m o s t 焦面扳形状接近平扳的特征，赴人部分分忻中将壳体结构近似为平板模删进行 模拟。本文首先考核了a n s y s 数值模拟焦面扳结构的止确性、焦面扳的刚度在开孔前_ f 亓的 变化然后对不带支撑杆时的焦面扳结1 = ! f 形式进行了初步探索确定了焦而扳所选川的材料， 为带支撑杆的焦面板结构的分析奠定基础。最斤对带支撑杆的焦面板结构的参数进行优化砹 计，井绡台l 艺的可实现性，设计r 满足l a m o s t 焦面扳技术精度要求的焦面板及其支撑 的结构形式平i l 尺寸。在本文最后对其他可能的影响冈素进行研究，升从理论上验证了孩优化 结构的稳定- i 生。这一研究成果为光纤单元的精确定位奠定了基础。 关键词：l a m o s t 光纤定何系统a n s y s ，有限元分析，焦面板 中国利学技术人中硕十论文l a m o s t 焦面板变形j ；! i ! 律研究 l a m o s 。1i sa c o l i ir o ii l s r e f l e c t i n gc o r r e c t e r r e f l e c t i n g 1 1 1 a 1 e s 【 a b s t r a c t s c h m k l lt e l e s c o p e | _ i s i n ga c l i v co p t i c st e c h n i q u et o a p e l l u r ew i t hw i d e f i e l do fv i e w r h ea v a i l a b l e k n - g e f o c a l p l a n em a y t h o u s i l n d si ) f i b e r s b yw h i c hl h ec o l l e c t e dl i g h to f d i s t a n ta n dt a i u tc e t e s t i a u l u g n i l u d e i st l x e r l - t h o t j s a l l d so i js p e cr ap e in i g h l ，l i l e a d i n gr o l ei nv d d ef i e l ds p c c b o s c o p ya r l d p 1 0 1 1 1 b r i n i z i l l h e c o i n b i n i n gh l r g c s i n g av er y h i g l ls p e c lr u l nu c q t l i li n gr a l eo t c h i l q e s ea s i | - o i i o i n ? i n l ol h e21c e n t u r yw i t ha f i e l d so fl a r g es c a l ea n dl a r g es a m p l ea s t r o n o m y a n da s t | _ o p h ) - s i c si ok e e pi tc o n s u m m a t e h i g ha c c t lr a c yi s 1 e q u ij e dt o or i e n ta l it h e4 0 0 0l i b e l + a c c o i d i n g b ，i ti sa s oi l n p o r l a n t od e s i g ni h ei b c a ip l a t e v d f i c hi st i s e di t si h ec a r li er 【t ) 1 xa l it h e f i b e r i n i b i sp a p e l ak e yt e c hr f i q u co ft h el , a m o s qp m g la l l l l o c a lp l a t es u b s r s t e mi nh h e ) o l i e n t a t i o ns y s t e mw a ss t u d i e d a c c o r d i n gt o t h et e c h n i c a lp r e c i s i o nd e m a n d so ft h el a m o s to p t i c a lf i b e ro r i e n t a t i o a s y s t e m ，t h el a m o s tf o c u sp l a t ea n di t ss u p p o r ts t r u c t ur ew e r es i m u l a t e db yu s i n gl a r g es c a l e f e mp a c k a g e 一a n s y st od e t e r m i n et h e i rp r i m a r yd e s i g np a r a m e t e r sc o n s i d e r i n gt h a tt h e l a m o s tf o c a lp l a t ei sa l m o s taf i a to n e ，i nm o s ta n a l y s i s ，t h ef l a tm o d e lw a su s e dt oi m i t a t et h e f o c a lp l a t e f i r s t l ) ，b l k s e d0 1 1t h ea n s y sf i n i t ee l e m e n t a lm o d e l i n gr e s u l t s ，v a r i a t i o no fr i g i d i t 3 e l t h e ( c o a lp l u l eb e l k ) r ca n da r i e ls t i l e t t ow a ss t u d i e ds e c o n ( i , p r i m a r yi n v e s t i g a t i o no ri b c a lp h l l e sl i u c l t a cw i l h o l i tk n i g h t h e a dw a se x p l or e d i h l o u g hw h i c ht h el b c a lp l a l em a l e r i a lw a sd c i c l m i n e d t h i ss t e pw a sr e g a , d e da st h et b t l n d a t i o no ft h er e s e a lc hf o rt h es u b s y s t e mw i t hk n i g h t h e a d f i n a l l y t h ep a r a l n e t e t so ft h es u b s y s t e mw i t hk n i g h t h e a d w e l eo p t i n d z e d a l s oc o n s i d e i i n gt h e r e a l i z a b l el e c h n o k ) g i e si nn l a n t l ! t c l u r et h u st h ec o n f i g u r a t i o na n dd i n l e n s i o n so rt i l el a m o s t l o c a lp l a t ea n di t ss u p p o l ts t r u c t u r ew c i ed e s i g n e d w h i c hs a t i s h e dt h er c q i 【t ir c m e n t s0 rt h er e l a t e d t e c h n i c a la c c ur a c i e si nt h ee n d o t h e l f a c t o r st h a tn l a ya f l ? c tt h ed e t b r m a t i o no ft o c a lp l a t ew e l c a l s ot a k e ni n t oa c c ol ir 1 1 a n dt h es t u b i i l i vo ft b c a lp l a t ew a sv a l i d a t e di h e o r c t i c a l b lh i ss t t i d yi s t h eb a s e0 1 1p r e c i s i o np o s i t i o n i n gi ) t i l eo l i e n t a l i n g k e y w o r d ：l a m o s t , f i b e rp o s i t i o n i n gs y s t e m ，a n s y s ，f e ma n a l y z e ，f o c a lp l a t e 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的设计及其变形规律研究 1 1l a m o s t 简介 第一章绪论 l a m o s t 的全称是“火天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”( l a 唱es k ya r e a m u l t i o b j e c tf i b e rs p e c t r o s c o p i ct e l e s c o p e ) 。l a m o s t 项目由中国科学院院士王绶培、苏定 强等人提出，1 9 9 6 年列为国家“九五”重大科学工程项目，1 9 9 7 年正式立项，投资23 5 亿 元人民币。 1 1 1l a m o s t 计划的提出及其意义 当前天文学正进入一个蓬勃发展的新时期。国际上在上世纪g o 年代到本世纪初陆续投入 运行近十种重大天文项目。它们都是数亿到数十亿美元级的设备，每项设备基本上分工开拓 一个特定的实测领域。那时，新一代空间x 及y 射线设备和新的一系列射电波段设备发现的 目标都将从现在的约l o ；级提高到1 0 6 级。2 1 世纪初无论从地面还是空间，在射电、红外、 可见光，紫外、x 射线、y 射线各个波段的观测都将实现“多波段一高信息量”的开拓，这 将使天文学发展升上一层楼。 对于天体的性质和行为的认识，光学波段光谱的物理信息含量最大，积累最多运用也 最成熟。它们导致了本世纪天体物理学的巨大进展。但是，迄今由“成像巡天”记录f 来的 数以百亿计的天文目标中，只有很小一部分进行过光谱测量。 天体光谱测量的低效率的原因之一是分光之后探测器上的光流量减少，而且一台望远镜 同一时间只能观测一个天体的光谱，不同于成像观测一次可以同时记录下成千上万个目标。 到本世纪初，全球将有近二十台4 米级望远镜和十多台8 米级望远镜。届时天体光谱高分辩率 观测的能力将有很大提高。但是对于在大天区范围内获得大规模的光谱，仅靠增加望远镜数 量是不能真正解决问题的。 解决光谱测量的低效率。首先需要能够同时测量多个天文目标光谱的技术。进入9 0 年代 之际，英美天文界为之奋斗十余年的“多目标光纤光谱仪技术”趋于成熟，即能够用4 0 0 根 光纤将视场中4 0 0 个目标的光引入光谱仪同时测量。这为大规模天文光谱的测量创造了技术 条件。应当说，这是近百年来天文技术的一大进步。而技术的进步必然会引起方法的转变。 具体来说，要做到跨世纪时划所需要的大天区范围的大击见模光谱测量，除了应用多目标 光谱仪，还必须有两个条件：一是望远镜口径必须足够大，二是由于待测天体分布在全天天 区( 约4 万平方度) ，望远镜必须有足够大的视场。可是普通的4 米望远镜视场只有十分之儿度 3 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的设计及其变形规律研究 ( 约合0 1 平方度) 。现有的施密特望远镜视场虽有五、六度( 合二十儿平方度) ，但是口径只 有1 米多。“大口径和大视场难以兼备”是长期以来犬文学上的一个难题，也是许多天文学 家一直关心的问题。 最早朝着大口径兼大视场方向努力的有3 9 米的英澳望远镜( a a t ) ，它配上新的改正镜系 统后，视场达2 平方度，并有4 0 0 , 光纤，正在试观测。最近则有美国芝加哥大学等六个单位 的北银极数字巡天计划( s d s s 计划) ，其望远镜口径2 5 米、视场7 平方度，将在北银极周围 1 0 0 0 0 平方度天区内进行成像巡天和光谱巡天。光谱巡天将用5 6 0 根光纤，预计在2 l 世纪初完 成极限积分星等为1 8 7 的星系红移巡天，目标数最多约为1 0 8 。在北半球，2 0 0 0 年以后的多 目标光谱设备必须以s d s s 己达到的前沿为起点。从a a t 和s d s s 的情况可以看出，目前在解决 望远镜火口径与大视场兼备的问题上还存在着很大的竞争余地这对我们来说是一个重要的 机遇。 针对跨世纪时期天文学国际台作和角逐的形势，我国选定了在大规模光学光谱开拓上进 行竞争。这个领域的开拓首先依靠的是望远镜设计上的创新，大天区面积多目标光纤光谱望 远镜( l a m o s t ) 采取了下列设计思路： a ) 鉴于科学目标的要求是同时观测一个视场内数以千计的天体，观测的最住条件应是在 视场扫过子午线时进行适量跟踪，因此采取“子午装置”，即把望远镜固定在南北方向上的 装置，称之为“卧式子午装置”。望远镜横放也就容易把焦距变长，视场线尺度就愈火。 b ) l a m o s t 的焦距为2 0 米，口径4 米焦比约为5 ，视场2 0 平方度。这是其它4 米望远镜难 以做到的。 c ) 焦面上的视场投影“线尺寸”为f “f 为焦距，q 为视场角面积。l a m o s t 的f 和q 都 很大。，o 约为2 5 平方米，是s d s s 系统“焦面光纤板”的七倍多，准备安插4 0 0 0 根光纤。 卧式装置允许把支撑光纤板的座架固定在基座上，弗将连接光纤的光谱仪固定在光谱仪宝 里，还可以按要求设置一批光谱仪以接受儿千根光纤同时上作。这也是s d s s 不能做到的。 d ) 这种卧式装置的反射施密特望远镜，球面像差的改正可以由制成适当形状的非球面反 射面承担。反射面还同时承担了对准目标和跟踪观测的任务。当反射面运动时在不同方向 上必须有不同形状的非球面以改正像差。针对这个难题，光学设计采用了把反射面制成由小 块薄平面镜拼接，用主动光学控制形状的“主动改正镜”。随着跟踪时的方向变化主动光学 系统实时地把反射面调成所需的非球面形状。主动光学是天文学的一项新技术，这种巧妙的 应用尚属首创。 以上介绍的设计特色，使l a m o s t 方案体现了一个新型的、性能优越的施密特系统。l a i v l o s t 4 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的殴计及其变形规律研究 的方案解决了人们睦期以来追求大口径施密特望远镜的困难。 一架望远镜测照光谱的性能指数q i 可定义为：在同样的光谱仪、同样的探测器、同样的 台址条件f ，对同一亮度的一批天体，在同样信噪比的要求f 和在某一给定曝光时间里，所 能记录下的光谱数量。显而易见，性能指数q i 正比于望远镜的聚光面积d 2 ，以及同一时间内 可测到的光谱数量n 。即q ，o c d 2 n 。对于多光纤光谱望远镜，n # j 光纤数。实际上每台望 远镜采用的光纤数n 由具体设计而定。近年来世界各国在大视场多目标光纤光谱观测方面的 竞争十分激烈，大量的人力物力投入了一批新的计划，例如：( a ) 美国s o s s 的光学系统视场为 3 “，口径2 5 米，焦l e f 5 ，观测目标6 6 0 个。( b ) 英国和澳大利的39 ：a a a t 望远镜的2 d f 计划 是在主焦面上加了一个改正镜将视场扩大到2 0 ，2 d f 的改正镜有两块双胶合透镜直径几乎 都接近0 9 米。其难度高，造价大。( c ) 美国的光谱巡天望远镜( s s t ) ，或称h e t ，是一架口径 为8 米，视场3 5 0 的等高仪式的望远镜。s s t 并不是一架大视场的望远镜，我们将它放到这里 来比较是因为l b f o s t 的最初方案是参考了它的特点。s s t 是一架造价相对便宜的8 米级望远 镜。但由于它的视场无法做大，只有3 5 。，每次只能观测到1 - 3 个目标，所以它无法做大数 量的巡天工作。 现将l a r i o s t 与这几种望远镜比较归纳在表1 1 中。 表1 1 几种望远镜参数比较 望远镜 s d s sa a t 2 d fs s tl a m o s t 视场( w ) 3 02 035 15 0 口径( d )2 5 m3 9 m8 0 m4 0 m 焦比f 5f 3f 1 8f 5 光纤数 6 6 04 0 0 1 3 4 0 0 0 q i 4 1 2 56 4 0 01 9 26 4 0 0 0 l _ 1 2l a m o s t 结构简介 l a m o s t 是一架卧式中星仪式反射施密特望远镜，其总体结构示意图见图11 中。其中的 球面反射主镜的半径为4 0 米，施密特改正板采用主动控制，位于主镜的球心处，焦面板位于 主镜的焦面处，上面呈蜂窝状分布着4 0 0 0 个光纤头，同时观钡u 4 0 0 0 个天体，光谱分析仪对天 体的光谱进行分析。 中国科学技术犬学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的设计及其变形规律研究 舢反射s ch m i l l 敲正镜 地平莲置 图1 1l a m o s t 工作原理 l h i o s t 突破了传统的设计思想。它采用卧式中星仪的形式，将望远镜的大部分( 球面主 镜和焦面) 固定在地基上，从而使塑远镜省去了传统的施密特望远镜的很长的镜筒，又可以 得到较慢的焦比( 较小的相对口径) ，从而获得了5 度( 2 0 平方度天区) 的大视场。用近十几年 发展的主动光学控制面形的反射施密特改正板代替传统的投射式施密特改正板，打破了五十 年来由于不能得到大尺寸的投射光学材料造成的施密特望远镜的口径不能超过1 3 米的限 制在世界上首先得到一台4 米通光口径，5 度视场的大口径兼大视场的望远镜。此外，它的 大的视场的线尺度使得焦面上可以同时放置4 0 0 0 根光纤。结合现代多目标光纤和计算机技 术，l a m o s t 将具有天体光谱的大规模的光谱巡天能力。l a m o s t 的建成将使我国天文学2 l 世纪 初，在大规模光谱观测中处于国际领先地位。 l a m o s t 按中星仪方式工作，对过中天前后的天体进行观测。来自天体的光线首先射向 施密特改正板，然后再反射到主镜的球面反射镜上，因此只需要适当转动施密特改正板，就 可使望远镜实现跟踪观测。天体的光线反射到主镜上后，由主镜在焦面上成像。焦面板上的 光纤端部按星象位置定位，把天体目标的光送至光谱分析仪分析，最终获得天体光谱样本资 料。 总之，l a m o s t 是一架包括光学、精密机械、自动控制、计算机技术的大型天文光学望远 镜。 1 1 3 总体性能目标和主要技术指标 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜工程的总体性能目标和主要技术指标，科学目标 的要求、望远镜技术的可能和观测台址的条件，概括如下： 有效通光孔径4 米，焦距2 0 米，现场角直径5 度( 焦面线直径1 7 5 米) ，光学质量8 0 光能 量集中在2 0 角秒直径的圆内，光纤数4 0 0 0 根，光谱覆盖范嗣3 9 0 0 9 0 0 0 a o ，观测天区赤纬从 6 中国科学技术大学硕士论文l a m 0 s t 焦面板结构的设计及其变形规律研究 - 1 0 0 到+ 9 0 0 的2 4 0 0 0 平方度，光谱分辨率1 纳米，光谱观测能力以1 0 a ”的光谱分辨率，在1 5 小 时曝光时间内，极限星等达i f j 2 0 5 等，实时和离线数据处理能力。 根据l a m o s t 总体一眭能目标，以i o a o 的光谱分辨率，在15 4 时曝光时间内，极限最等要 达到2 0 5 等。考虑到兴隆观测站台址视。t 度平均为2 角秒则该望远镜收集的天体光能餐的 8 0 须进入3 3 0 角秒直径( 3 2 0 微米内径) 的光纤中。 l - 2 光纤定位系统简介 1 2 1 焦面光纤定位装置简介 观测控制系统o c s 是一个根据观测任务协凋和管理望远镜各部分的控制平台。利用这个 控制平台，操作者能进行各种控制操作运行分析和数据交换，它根据巡天战略的要求，将 待观测天体按轻重缓急安排观测日程，力求缩短观测周期、高效率地完成观测任务。观测控 制系统o c s 的系统结构如图1 2 数据处理系统d h s 实现数据保存，数据实时显示和原始光谱 数据的处理。望远镜控制系统t c s 主要实现m 、m ”和焦面的定位与跟踪，圆顶随动等控制。观 测战略系统s s s 产生短期即当天的观测任务，还要根据观测条件的变化对观测任务进行调整。 焦面仪器控制系统i c s 主要实现40 0 0 根光纤的定位，1 4 台光谱仪控制，曝光控制和2 8 个c c d 数据读出等功能。 图1 2o c s 系境地构固 焦面仪器是l a i o s t 直接获取天体光谱信息的部分，和望远镜本体同属项目j l 程的两犬主 要部分。焦面仪器分为光纤定位装置、光纤、光谱仪和探测器四个主要部分，还包括定位和 单元结构、运动方式、移动选择等傲模拟导星装置，涉及光、机、电和控制等方面知识。 光纤定位系统是焦面仪器控制系统i c s 的一部分，控制系统驱动80 0 0 个步进电机，负责 对4 0 0 0 根光纤定位，使光纤端部定位于指定位置。一个快速的光纤定位系统，可以：常省换星 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的殴计及其变形规律研究 时间，使望远镜有更多时间进行观测和方便利用片段时间，还有实现测光瞄准和光纤跟踪的 可能。技术难点是针对40 0 0 根大量光纤的定位控制，这也是l a m o s t 项目重点研究突破的两 大关键技术之一。 光纤定位采用单元驱动分区定位方案，其基本思想是在球冠状的基板上安装4 0 0 0 个有两 个运动自由度的单元，光纤安装在单元端部。每个单元有自己的驱动装置，驱动光纤在一个 有限的小区域内运动。国1 3 是焦面光纤单元布局示意图，焦面光纤板主要是由焦面基扳、 光纤头、监控装置、主控制系统等组成。4 0 0 0 个单元头安装在直径1 7 5 米的焦面基板上，任 意两个相邻光纤头的回转中心距为2 5 6 毫米每个单元头由一个双回转机构控制其理论活 动范围为宣径3 3 毫米的圆，其布局如图1 4 所示。 厂 、j 1 p 溉缀默 i 尸a 登愈笠踅剃 也 、 、 图1 3 焦面光纤单元布局示意图 图1 4 焦面光纤头布局示意图 1 2 2 焦面板简介 焦面板的设计与数值模拟是焦面光纤定位装置的个子项目。 作为安装4 0 0 0 个光纤定位单元机座的焦面板，其形状是冠面约为巾1 7 5 m 球半径2 0 m 的球冠，在上面要加工4 0 0 0 个轴线朝向球心的孔。 图1 3 焦面板安装示意图 图1 6 焦面板孔位示意图 8 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的设计及其变形规律研究 焦面板采用的材料，一方面要求在m h z i z 、安装时变形尽可能小，热变形尽量小且与单元 相协调，重量尽量轻，同时，刚性还要好。另外，还需要有一个能对整个焦面进行足够精度 测量的系统，以便在焦面板安装、调试及平时观测时对单元及光纤位置进行测量。 焦面板结构的设计牵涉到单元头在焦面板上的安装定位方式，同时单元安装在焦面板 上，其本身相对于焦面板的坐标系转换以及如何保证光纤端面的离焦量的要求( 重要的是如 何测量离焦量) ，需要在焦面扳上有测量基准。 焦面板的安装、调整、固定，上面导星c c d 和参考光纤如何安装，牵涉到与其他方面的 接口及西调问题，需要通盘考虑，协商解决。焦面板的支撑方式对焦面板的变形、单元的安 装固定以及今后的调整维修乃至焦面机架影响极大由于焦面板在望远镜观测过程中需要旋 转，所以焦面板安装以后的支撑杆的变形不是一个蚓定值，它对光纤定位的精度雨i 离焦量的 影响需要仔细分析。驱动电机的引线、光纤的走向等问题如何考虑也直接影响焦面板的设计。 焦面板的形状、结构、尺寸、材料及其性质如重量和热稳定性等对璐个望远镜的正常运 行影响极大。它与焦面支撑、装配调整、观测跟踪、光纤电线的排布以及望远镜的测量标定、 最终与望远镜的观测质量等因素密切相关。因此，焦面板的高质量殴计和加：f 制造是本项目 获得成功的一个基本保证。 概括起来，焦面板具有以下特点： a ) 板面尺寸大，形状呈球冠形，加工精度高，耗时长。 b ) 加工公差小，孔深且其位置度、轮廓度、圆柱度要求高。 c ) 板面主光轴( 焦面板中心法线) 与水平方向的夹角为2 5 度。 d ) 运行时。焦面板绕主光轴旋转2 2 5 度。 1 2 3 焦面板的设计依据及技术精度指标 整个定位系统的技术精度要求分配到焦面板为： a ) 离焦量( 光纤端面偏离焦面的距离) 0 0 5 m m ，其中加工误差o 0 2 m r n 。变形 误差o 0 3 m m 。 b ) 二维焦面坐标定位精度0 g 4 m m ，其中孔位加： ：误差o 0 4 m m ，变形误著 1 0 0 1 m m 。这里，孔位加工误差是一个固定误差，标定测出后它将不成为二维定伉误 差。 c ) 单元孔倾斜量( 单元孔轴线与所在焦面法线的夹角) o 1 5 度，其中加一l 。误差 o 。0 5 度，变形误差_ 4 0 ，1 度。 d ) 工作温度：季节变化：一2 5 。c + 3 5 。c 正常一r 作，一4 0 。c + 5 0 。c 不破坏 e ) 电机工作引起的焦面板升温o 2 。c 。 f ) 机构重量：2 吨。 将焦面板的技术精度指标中与受载变形有关的部分提取出来，再加上考察焦面板在加 9 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的设计及其变形规律研究 工、运输、安装、运行等方面的受力平i _ i 变形必须满足的条件，就形成了焦面板材料选择和结 构设计的依据： a ) 离面位移( 离焦量) 0 0 3f i l m b ) 面内位移( 3 2 作过程变形量) ：一个观察周期内旋转引起变形量o 。o l m m 。 c ) 倾斜o 1 度( 光纤光轴与焦面法线的夹角) 。 d ) 温度的季节变化：一2 5 。c 一+ 3 5 。c 正常工作，一4 0 。c 一+ 5 0 。c 不破坏。 e ) 一个观测周期的温度变化：电机二【：作引起的焦面板升温o 2 度。 f ) 机构重繁：2 吨 曲单元孔径变化；不引起单元松动或插拔困难，不引起单元破坏。 h ) m i s e s 等效应力蔓许用应力，焦面板在加： 完成后，在运输安装和运行过程中板 体、单元和支撑机构必须在线弹性范围内工作。 l t 3 本文研究内容 本文根据l a m o s t 光纤定位系统的技术精度指标，利用有限元大型分析软件a n s y s 进行 数值模拟，对焦面板及其支撑的结构形式、受力变形和热传导进行分析，结合工艺的可实现 性，确定了焦面板所选用的材料，设计了焦面板及其支撑的结构形式和尺寸。 在本文的以下部分，主要从以下几方面进行阐述：第二章建立了数值模拟的有限元分析 模型，基本确定了焦面板的结构形式：第三章对焦面板刚度随开孔情况以及不同等效密度的 变化而产生的变化进行分析，从而确定数值模拟中焦面板的等效密度在本章牛还对不带支 撑情况下焦面板的变形进行了详细的分析，从而初步确定了焦面板的支撑形式i 第四章对于 已经确定支撑、结构形式的焦面板在实际： 作位置和工作环境中的机械变形分析，使所设计 的结构的受力变形符合分配给焦面板的技术精度指标；第五章详细分析了环境温度变化时焦 面板的变形情况；第六章考虑了焦面板在其他因素影响下的结构变形。 第七章对于前面六章内容进行总结给出模拟中的优缺点。论文最后是配合论文的附录、 在学习期间发表的文章以及致谢。 0 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的殴计及其变形规律研究 第二章焦面板的基本结构及有限元模型 焦面板结构形式的确定需要考虑l a m o s t 焦面板结构的技术要求以及焦面板所采用的 材料。对于l a m o s t 项目中的焦面板结构的可使用性不可能通过实验现场测试来确定，设 计阶段只能通过简化分析，特别是利用大型有限元分析软件来模拟，这就意味着需要确定模 拟的模型以及模拟的方法等因素。在本章中首先确定了焦面板的材料以及初步的焦面板结构 形式，并在此基础上结合焦面板系统自身的特点给出了合理的简化了的焦面板模拟模型。同 时，详细介绍了a n s y s 建模过程。 2 1 焦面板的材料及结构形式 焦面板采用的材料，一方面要求在加工、安装时变形尽可能小热变形尽量小，重量尽 量轻且需考虑焦面板与单元的配合同时，刚性还要好。所以在选择焦面板材料时首先需要 了解单元与焦面板的配合方式然后综合考虑以上因素来确定焦面板的材料。 2 1 1 单元与焦面板的配合 单元支撑结构是个大于1 7 5 m 平面直径、1 9 8 8 m 球半径、厚度1 2 0 m m 、被打上不少 于4 0 0 0 个小孔后剩余的球冠状焦面板，每个小孔安装一个光纤定位单元，光纤单元在板中 的长度为1 2 0 m m 。定位单元板中段的前后各有i o m mf l q k , l - 是2 l - o - 9 0 0 7 m m 、中间部分是 ( i ) 2 0 9 一；lm m ，而焦面板单元7 l 的尺寸是m 2 l 苫0 0 0 o l 3m m 。因此，焦面板与单元的连接是间隙 配合，其中板的上下有两段与单元较小的间隙配台区以保证单元的对心度。这样，单元安装 后，只要焦面板的变形不是太大，亦即配合区的间隙始终存在，则单元对焦面板的变形刚度 将不会产生影响。 2 1 2 焦面板材料的选择 定位单元材料是铝合金l y l 2 - c z ，焦面板拟采用铝合金、4 5 号结构钢或纤维增强复合材 料。在焦面板和定位单元上述给定的尺寸公差下，当焦面板材料与定位单元的热膨胀系数不 相同的情况下，在温度载荷从2 5 。一+ 3 5 。变化，焦面机构会发生很大的不均匀变形。同时在 高低温的一定范围内将使单元松动或插拔困难。如已试算的钢材焦面板，在单元与焦面板有 一段紧密配合的情况下，当温度升高2 0 度时板的最大离焦变形达到4 5 1 微米( 如图2 1 所 示) ，这已远远超过分配给焦面板的离焦量要求。所以，焦面板材料热膨胀系数应与定位单 元的一致。原则上，纤维增强复合材料的刚度和热膨胀系数是可设计的，但对于本焦面板 在1 7 5 m 直径范围内要布放4 0 0 0 个巾2 1 m m 的单元装置，相邻两孔之间的最小间距小于 5 r a m ，其制各由于工艺过于复杂而变得不现实。因此，焦面板应采用与单元相同的铝合金 材料。 中国乖 学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面扳结构的殴计及其变形规律研究 图2 1 焦面板温升2 0 度时的离焦变形 2 1 3 焦面板的结构形式 铝材焦面扳可以有不同的结构形式，如中空的上下两层结构板就是一种形式。相对于f 实 体板，中空结构板形式主要希望能减轻单元支撑结构的重量和利用中间的空隙通风散热。由 于实体板打孔后约5 8 的重量己被去除，再要进一步减轻重量余地已不太大，而结构板的 上下两部分如何符台精度地连接好对工艺要求很高。另一方面，铝材的散热较快，只要单元 将热量传到焦面板上，在板的外表面将比较容易通过通风冷却的方式把热量带走。综合考虑 以上因素，最后我们选用整铝板打孔的结构形式。 2 2 分析模型的简化 焦面板系统是一个平面直径为1 7 5 m ，球面直径为1 9 8 8 m 的球壳，在该球壳上有4 0 0 0 个朝向球心的孔，孔中装有4 0 0 0 根光纤单元的复杂系统。要真实模拟该系统的变形情况是 相当不易的，在建模分析时费肘费力，对设备的要求也很高。所以在方案的初步搜索过程中， 需要对分析模型进行简化。考虑到焦面板系统本身所具有的特性，现对该系统进行如下简化。 彬凹事半密1 9 8 8 m 域冠面碍呼衙张孝。焦面板平面直径17 5 m 相对于曲率、r 径1 98 8 m 比较小，实际的焦面板很接近一个平面，这种差别对焦面板的抗压抗弯等力学性能影响很小。 这一点将由后面的算倒得到验证。因此，为了便于建模以进行优化尺寸的搜索，在大部分的 分析计算中将实际的球冠面用平面代替。 将单元的重量及其卮的线缆和光纤的拉拽力等效翻焦面板i ，仅对开孔焦面投进行有 熙岳 l 屯定位单元如何把力传到焦面板上是一个很复杂的接触力学问蔻，但由于单元与板 的相对位置固定，同时单元数目较多且均匀排布，因此可以认为单元对焦面板的作用是均匀 的，并进一步把单元的重量及其后的线缆和光纤的拉拽力等效到焦面板上。这样，对焦面板 进行变形分析时就仅需对开孔焦面板进行建模，使得对这一复杂结构的整体有限元分析成为 1 2 中国科学技术大学硕士论文l a m o s l 、焦面板结 句的发计及其变形规律研究 可能。 按照以上简化，模型如下图所示： 图2 2 焦面板的模型图 根据上面的简化，将光纤单元、揽线以及光纤的重量均简化到焦面板上，所以在模拟 中，这部分焦面板应该采用等效载荷。 按照论证毫玎段的载荷计算焦面板的厚度= 1 2 0 m e i ，平面半径r = 8 8 0m m ，密度为 n = 2 8 0 0 k g l 【i 。；单元孔的个数为4 1 3 8 个，半径为= 1 0 5 i i i l l l ；中间孔的半径为匕= 4 0 m m ， 单元头的质量为1 2 3 = 0 2 6 千克个；每个单元有1 1 撩a f - - 1 型电线、长度厶= 1 0 l l t 、该电 线的密度见= o 5 7k g k m 、电线包皮重量为电线重量的0 2 倍；光纤跃度f 4 = 1 0 2 4 m ( 其中 0 2 4m 为单元中的长度) ，光纤带保护层的密度为p 4 = 3k g k r , i | 。 所以关于载荷的数据计算等效载荷如下： 焦面板的体积为v 。n - ) ( r2 h = 0 2 9 1 9 4 2 m 单元孔的体积为v ，= 4 1 3 8 ，r 2x h = o 1 7 1 9 8 9 m 3 中间孔的体积为v 3 = n x r ：1 2 h = 0 0 0 0 6 0 3 1 9 m 3 所以开孔后焦面板的体积为 v = v t - v z - v j = 0 1 1 9 3 5 m 3 开孔后焦面板的质量为 m ，= v 。日= 3 3 4 ，1 7 9 5 k g 单元头的质量为 m 2 = 4 1 3 8 。= 1 0 7 5 8 8 k g 电缆的质量为m 3 = 4 1 3 8 】1 1 ，。岛1 2 = 3 1 1 3 4 3 1 2 k g 光纤的质量为m 。= 4 1 3 8 i 。p , , = 1 2 7 11 9 3 6 k g 所以总质量为m = m i + m2 + m3 + m 。= 1 8 4 8 5 2 1 9 8 k g 故等效密度为p = m v = 15 4 8 8 2 4 4 k g m 3 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的设计及其变形规律研究 需要说明的是：( 1 ) 以上等效密度的计算所用单元数是4 1 3 8 个它是板内无支撑1 7 5 米范围内的单元数。这个单元数比目前4 0 0 4 个单元多1 3 4 个，约多3 3 考虑到焦面系统 目前尚有一些未定因索，可将此视为安全系数。( 2 ) 等效密度的定义范闭是直彳寻：1 7 6 0 r a m 以 内板面。( 3 ) 直径1 7 6 0 r a m 到1 7 9 0 m m 的实体铝板重为1 8 6 8 4 k g ，亦即焦面板加：1 完成后 的重量为3 5 3 6 6 5 k g 。( 4 ) 光纤和电缆的重量已基本确定，但它们的嘲定方式都尚未确定， 因此以上电缆和光纤对焦面板的作用力只是一个近似估计值。 2 ，3a n s y s 建模过程 、 2 3 1 有限元模拟软件的选择 国际上著名的有限元软件有几十种，常用的有a n s y s 、a s c 。n a s t r a n 、a b a q u s 等，在本文的模拟中，采用的是大型有限元软件a n s y s 。因为该软件具有良好的优化功能、 强大的非线性分析功能、可实现多场耦合功能，最主要的是它提供与其它程序方便的接口， 这样便于数据共享与交换，如l a m o s t 焦面板的球壳模型的建立，就需要u g 的协助。它 还可以通过编辑参数化设计语言( a p d l ) 建立有限元模型，这样便于模型的更改。a n s y s 软件还具有数据统一的特点，这样就可以实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 2 3 2a n s y s 建模过程 按照l a m o s t 焦面板的特征做了2 2 节中的假设之后，本文中大部分模拟采用的是 平板模型，但是运用平板模型模拟的结果是否能够代替壳体模型模拟，还需要对二者进行比 较，所以文中也需要对壳体模型进行数值模拟，并且平板模型优化后的参数是否满足 l a m o s t 焦面结构的技术精度要求，需要通过壳体模型来检测。二者在a n s y s 中的建模 过程是不同的，故本节分别介绍了两种形式的建模过程。 2 3 1 2 i 平板模型建模过程 1 、定义单元类型，单元类型的选择需要考虑所需模拟的模型特点，具体应该如何选择 单元类型，单元类型将会对模拟结果造成什么样的影响，将会在3 1 3 节中详细说明。本 文中所模拟的模型的边界属于曲边形边界，所以在选择上尽量选择可以容忍不规则面形和曲 边形边界的单元类型。在不带支撑的焦面扳网格划分时，对焦面板上表面先进行平面单元划 分，采用的单元类型是p l a n e 8 2 ，然后拉伸成三维单元，单元类型为s o l i d 9 5 。带支撑时选择 的焦面板上表面单元的单元类型s h e l l 9 3 ，最后拉伸成的三维单元的单元类型为s o l i d 9 5 ，座 囤及支撑杆上的三维单元的单元类型为s o l i d 9 5 。 2 、定义村料特性，根据所选材料，定义材料的特性。本文中焦面板选用的是铝合金材 料，支撑杆选用的是钢。其物理参数见表2 1 。考虑到接触面上铝、钢在温度变形时的匹配 性，定义材料特性时将铝台金的热膨胀系数定义为g = 1 0 x i o 。，”c ，钢的定义为口= 0 。 4 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的没计及其变形规律研究 表2 1 材料的物理参数 物理参数 铝合金6 0 6 1 “2 0 号结构钢”1 密度 d = 2 7 9 c 3p = 7 8 5 9 e r a 3 弹性模量 e = 7 0 g p ae = 2 0 6 g p n 洎松比 2 = 0 3 3“= 0 3 0 d = 2 1 6 x 1 0 - 6 o c ( 一6 0 十2 0 ) 热膨胀系数 口= 1 1 1 6 1 0 6 o c ( 2 0 1 0 0 c 、 口= 2 3 6 1 0 “o c ( 2 0 1 0 0 * c 、 布氏硬度船= 9 5 ( 2 0 0 c 时 丑b = 2 5 5 比例极限 c r o2 = 2 7 5 m p ao - o2 = 2 4 5 m p a 材料极限 o - b = 3 1 6 m p a吒= 3 9 0 m p a 3 、建立模型。 ( 1 )建1 4 焦面板平面模型，1 4 区域内的定位单元，布尔运算。 图2 3 焦面板t 4 平面模型 一 ! 垦型竺：垫查銮主堡主焦塞：二! 垒坚旦! ! 坐堕堡丛塑盟丝生墨基变型塑堡竺塞 ( 2 ) 平面嘲格，崩a e s i z e 控制单元大小，三角形革元自由阚格。 圈2 4 焦面板i 4 平面网格 ( 3 ) v e x t 拉伸成实体 鹫2 5 平面网格局部放大 中国科学技术大学硕士论文l a m o s t 焦面板结构的设计及其变形规律研究 ( 4 )通过对