光学反射镜结构材料优化研究

本文档下载自文档下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：光学反射镜结构材料优化研究文章编号：光学反射镜结构材料优化研究张宇民，刘殿魁，韩杰才，赫晓东哈尔滨工程大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨，哈尔滨工业大学复合材料研究所，黑龙江哈尔滨摘要：空间反射镜片的应用日益广泛，选择最佳综合性能的材料和结构是制造镜片首先需要解决的问题为此，设计了不同材料的、不同减重结构的镜片，通过有限单元法程序模拟计算了镜片固有频率，以与重力、温度场和光源辐照对镜片面形的影响通过计算结果的比较，确定光学玻璃、铍和碳化硅等太空镜片材料的适用场合，以与优化镜片的减重结构计算结果表明，铍镜片的综合性能最佳，但必须考虑其毒性；低温和光源辐照条件下，碳化硅镜片性能最佳关键词：碳化硅；铍；光学；反射镜中图分类号：文献标识码：光学系统是探测器的“眼睛”，起着探测搜索的作用光学镜片是大型太空望远镜、大型地面望远镜、预警卫星、探测卫星、侦察卫星、气象卫星、高能激光、激光雷达系统、射线和真空紫外线望远镜、高分辨率相机等光学系统的重要组成部分目前，高分辨率的光学系统大多采用反射式设计，对比折射式设计，这种设计对信号能量的吸收小，误差降低通常镜片分为镜面和镜体两个部分常用于制造空间镜片的材料包括：铍、学光玻璃、石英、单（多）晶硅、碳化硅、金属镍、金属铝等反射镜片的制造分为个阶段：镜片设计、镜片制造和镜片测试镜片设计分为光学设计和结构设计两部分光学设计即根据望远镜的设计确定镜片的形状：平面、抛物面、球面或非球面，并确定镜片尺寸结构设计即根据镜片的工作环境（包括工作温度范围、工作载荷与所受辐射等条件），并结合成本、时间和工艺性等条件，来决定镜片材料并完成结构设计本文的研究侧重于反射镜片的材料选择和结构优化，并比较了重力、温度场和光源辐照对不同材料镜片面形的影响镜片材料与结构选择镜片材料需要考虑系统光学要求，载荷要求，材料性能和制造工艺，使用环境，以与成本和生产周期等，材料的选择并不简单，通常需要以下步骤）确定最终性能参数和规格；）筛选出性能适合的候选材料；）建立和分析假定的设计；）比较候选材料的性能、制造工艺和成本；）确定设计和制造工艺细节太空的使用条件是微重力或无重力，低温或大温差，同时要考虑升空对重量的要求因此太空镜片对材料性能的要求是比较苛刻的太空镜片要求对某波段电磁波的透过率或反射率要高，同时要求在大温差下变形要小尤其在低温下稳定性要好，要保证在具体使用条件下，镜面形状和尺寸的稳定性通常镜片分为镜面和镜体两个部分，镜面的作用是保证某一波段电磁波的透过或反射，镜面常以镀膜的形式出现；镜体的作用是支持和定位镜面镜体材料要求热变形系数小（热膨胀率小，热导率高），比刚度大（密度小，弹性模量大），表面粗糙度小；镜体材料要求与镜面材料相匹配，结合牢固这里，选择，反应烧结和光学玻璃进行比较，表为种材料的性能参数数据收稿日期：；修订日期：作者简介：张宇民（），男，河北人保坻人，博士后，主要研究方向为陶瓷材料成型与合成、光学材料设计与制造等方面的研究第卷第期哈尔滨工程大学学报年月.表材料性能数据表（室温）材料性能推荐值原子量密度（）小弹性模量大泊松比小热膨胀系数）小热导率!）大热变形系数（）小比热容）小导温系数大比刚度比较自振频率（常量：几何形状，自变量；质量）大比较自重偏差（常量；厚度，自变量：质量）小比较自重偏差（常量：质量，自变量：厚度）小比较质量（常量：自重偏差，自变量：厚度）小镜片要求重量尽可能小，同时刚度要大因此镜片材料应选择密度小的材料，镜片结构设计中减重是很重要的内容由于镜片镜面要求致密光图蜂窝结构减重方式洁，因此主要是将镜片支撑的重量降低主要的减重方式包括：减小镜片厚度、多孔结构支撑设计、图蜂窝结构镜片模型泡沫结构支撑设计等多孔结构的实现方式有，镜体部分钻盲孔、蜂窝结构（如图所示）和板材搭接结构蜂窝结构是减重效果最好的方式，可以通过机械加工或近无余量成型工艺来制造脆性材料、昂贵材料和不易加工材料大多采用近?第期张宇民，等：光学反射镜结构材料优化研究无余量成型工艺制成蜂窝结构蜂窝结构有开放式结构（如图）所示）和三明治结构（如图所示）三明治结构是在开放结构基础上将背面封闭以提高刚度蜂窝结构的设计参数包括镜面层厚度，蜂窝形镜体的厚度，单元壁厚，单元形状常采用正方形、六边形和三角形，主要参数是内接圆直径.采用蜂窝结构的圆形平面镜片进行分析，镜片直径，高度，蜂窝结构分为三角形和六角形，内接圆直径，单元壁厚，安装孔外径，内径，图为镜片模型对于圆形镜片来说，四边形单元定位困难，并且由于镜片尺寸不大，因而采用三角形和六边形单元开放式蜂窝结构来进行分析出于定位的考虑，圆形镜片一般不选用四边形单元对于长方形或其他形状的镜片，则应具体分析大型镜片可采用辐射状单元等其他形式单元计算结果固有频率计算建立模型采用具有一定厚度的壳体，进行有限元模态分析这里计算了不同材料的固有频率，计算结果列于表，振型未列出考查种材料蜂窝结构条件下的固有频率，可以看到的固有频率最高，次之，光学玻璃最低，说明的比刚度最好三角形的频率比六边形的频率高，说明三角形的刚度要好些表镜片固有频率计算结果单元材料各阶频率三角形六边形重力场的影响考虑重力条件下镜片变形和应力分布，分两种情况，一是重力方向平行镜片厚度方向（即方向）；二是重力方向重直镜片厚度方向（即或方向）镜片变形主要考虑方向上的变形量和最大变形量应力则主要考虑最大主应力和应力材料的屈服是零件设计必须考虑的因素，当然太空镜片承受载荷很小，与屈服点距离很大，但即使很小的应力也会影响面形误差，因此需要了解工作状态下的应力分布与变形因为面形精度主要受方向变形影响，而总变形量反映了不同方向重力对不同材料镜片的总体变形影响，因此主要考查总变形量和方向变形量应力主要考查第一主应力和应力根据表的计算结果，拉应力不超过，压应力不超过，远小于材料强度，因此重力条件的应力可以不予考虑应力主要集中于定位孔附近镜片的变形最小，片的变形次之，光学玻璃镜片变形最大随壁厚增大，变形减小；三角形蜂窝结构的变形比六边形蜂窝结构的变形小，四边形镜片由于有个定位孔，所以变形最小当重力方向平行于厚度方向时，变形较大，大约为重力方向垂直于厚度方向时变形量的倍温度场的影响太空镜片从室温冷却至低温，通过热对流和热辐射向外放出热量热对流采用牛顿冷却方程计算：式中：为热流密度；为对流换热系数（空气自然对流换热系数一般取为固体表面温度；为周围流体温度?哈尔滨工程大学学报第卷表重力条件下变形和应力计算结果单元形状材料总变形量方向变形量最小值最大值第一主应力最小值最大值应力三角形!!六边形三角形!!$六边形热辐射可以用方程计算：式中：为热流率；为黑度；为常数（为辐射面的面积；为辐射面到辐射面的形状系数；为辐射面和的绝对温度取最恶劣的条件，热流密度不超过由于镜面厚度远小于平面尺寸，因此可以将模型简化为无穷大平面从计算结果（见表）可以分析，由于环境温度变化引起镜片外侧和中心产生的温度差，进而产生镜片应力变形，其量级很小热导率越大，温度差越小，外界温度变化的影响也越小再综合弹性模量来考虑，材料的应力变形最小，次之，光学玻璃的应力和变形最大光源辐照的影响温度变化会引起热胀冷缩现象，各部分温度不同，尺寸变化也不同，从而产生热应力计算热应力首先应确定温度变化范围最恶劣的光源辐照条件是激光束辐射聚焦于镜片中心，镜片吸收能量后升温，经热传导向周围环境扩散热量，因而形成温度梯度，产生热应力如果使用激光器，波长，照射时间大于，为便于比较，假设材料对该波长电磁波反射率为，其他能量为材料吸收材料的相关性能参数见表一般在不考虑光束的能量特性和物质性能的情况下，材料温度的增高速度取决于辐射穿透受热层的厚度和辐射聚焦成圆斑的辐照区半径之比由于镜片尺寸远大于和，所以可以认为它是半无穷介质如果受热层的厚度比辐射穿透层厚度大得多，即（，可认为是表面热源，若（，则为立体热源材料表面辐照区中心点温度的计算公式为一般情形式中：为起始温度；为热流密度；为照射时间，为热导率；为导温系数；为辐照区半径受热层厚度表征热作用区域，通常为当当当本文中研究的情形属（，即表面热源考虑最恶劣的情况，假定激光聚焦半径，功率，反射率为，则热流密度则辐照区中心温度变化为对于金?第期张宇民，等：光学反射镜结构材料优化研究属，温度大约升高材料温度大约升高而对于光学玻璃来说，由于热导率低，升高温度大于材料熔点而不适用通过计算结果的比较，可以看到：在激光照射条件下，碳化硅镜片比铍镜片的面形误差小；三角形镜片比六边形镜片的面形误差小表镜片低温条件应力和面形误差镜面厚度材料应力温度差位移表光源辐照条件下变形和应力计算结果单元形状材料总变形量方向变形量最小值最大值第一主应力最小值最大值应力三角形六边形结论综上所述，在镜片的影响因素中，光源辐照条件影响最大，重力影响次之，冷却条件影响最小对于圆形镜片，内切圆半径相等时，三角形单元比六边形单元的刚度好只考虑重力因素时，种材料都可满足要求，铍材料的表现最好，碳化硅材料只略低于铍材料，铍的毒性是必须考虑的因素，加工时应尽可能使重力方向垂直于镜片厚度方向在低温冷却过程中，碳化硅材料的表现最好光源辐照条件下，碳化硅材料的表现最好因此，碳化硅是首选的镜片材料，铍次之，光学玻璃则应用于无强光源辐照或要求不高的场合参考文献：］张飞虎，张春河，欧海涛等在线电解修整镜面磨削中砂轮耐用度