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一种带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法

阅读：500发布：2024-02-22

专利汇可以提供一种带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其中，所述柔性支撑空间反射镜包括反射镜反射面、柔性支撑结构和反射镜背部及周边结构，所述设计方法包括以下步骤：建立反射镜反射面的有限元模型；建立柔性支撑结构的等效模型；建立反射镜背部及周边结构的等效模型；优化并组装所述带有柔性支撑的空间反射镜模型。上述带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，基于空间反射镜设计理念及结构形式，对反射镜反射面、反射镜背部及周边结构、柔性支撑结构合理简化处理，选取多个设计变量，进行参数优化设计。在满足反射镜求解精度的前提下，有效提高了计算效率，缩短了实际计算时间。，下面是一种带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，其中，所述柔性支撑空间反射镜包括反射镜反射面、柔性支撑结构和反射镜背部及周边结构，所述设计方法包括以下步骤：
建立反射镜反射面的有限元模型；
建立柔性支撑结构的等效模型；
建立反射镜背部及周边结构的等效模型；
优化并组装所述带有柔性支撑的空间反射镜模型。
2.如权利要求1所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，所述建立反射镜反射面的有限元模型的操作如下：
按照光学设计输入设计指标，确定所述反射镜反射面的形状，其中，所述反射镜反射面采用壳单元进行模拟。
3.如权利要求1所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，所述建立柔性支撑结构的等效模型的操作如下：
根据反射镜的设计要求，设计所述柔性支撑结构形式及数量；
采用弹簧单元对每个所述柔性支撑结构进行等效化建模；
提取每个所述柔性支撑结构的接触力-位移曲线和弯矩-转角曲线，并赋值给对应的所述弹簧单元。
4.如权利要求3所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，所述弹簧单元包括平行设置的六根弹簧，六根所述弹簧的两端分别共节点连接，其中，六根所述弹簧中，三根为拉簧，另外三根为扭簧。
5.如权利要求4所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，所述弹簧采用一维弹簧单元。
6.如权利要求1所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，建立反射镜背部及周边结构的等效模型的操作如下：
根据反射镜的设计要求，设计所述反射镜背部及周边结构形式；
采用梁桁架单元对所述反射镜背部及周边结构进行等效化建模；
提取所述反射镜的静力学及动力学试验数据，生成结构力-位移曲线和力-速度曲线，并赋值给所述梁桁架单元。
7.如权利要求6所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，所述梁单元包括多根梁，所述多根梁相互连接成桁架形式，并建立力-位移关系及力-速度关系。
8.如权利要求6所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，所述力-位移曲线由实际结构力学环境试验和理论推导方式获得；
所述力-速度曲线由实际扫频试验和理论推导方式获得。
9.如权利要求3或6所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，所述反射镜的设计要求包括反射镜口径、面形要求和结构包络要求。
10.如权利要求1所述的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其特征在于，优化并组装所述带有柔性支撑的空间反射镜模型的操作如下：
针对所述柔性支撑结构的数量、所述梁的个数和相邻的两个所述梁之间的夹角进行参数优化设计；
生成确定将所述反射镜反射面、所述柔性支撑结构和所述反射镜背部及周边结构进行连接的反射镜简化建模方案；
对所述反射镜反射面的有限元模型、所述柔性支撑结构的等效模型和所述反射镜背部及周边结构的等效模型进行优化求解，保证各连接环节共节点连接。

说明书全文

一种带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及空间遥感器技术领域，尤其涉及一种带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法。

背景技术

[0002] 随着光学领域的快速发展，航空及航天载荷对于光学系统提出更高的要求，在满足使用性能的前提下，分辨率更高、视场更大等追求日臻明显。反射镜作为反射式、折返式光学系统关键部件之一，其重要程度不言而喻。

[0003] 目前，考虑到成像要求、成本、加工及制造等综合因素，反射镜材料涵盖了玻璃、SiC陶瓷、金属等，随着制造业的发展及材料自身的性能优势，金属反射镜由于其良好的加工性能、加工周期、制造成本、力热性能等，在反射镜材料选取中得到越来越广泛的应用。

[0004] 反射镜结构形式多样化，主要包含中心支撑、背部支撑、周边支撑三大类。在实际工程及设计过程中，良好的反射镜结构设计尤为重要。随着计算机水平的不断发展，有限元分析方法在结构设计中得到广泛应用，通过有限元分析手段可准确分析结构存在的问题。但在极致追求有限元求解精度的情况下，不可避免会带来求解时间的增长，这对于实际工程及设计来说，迭代周期是一个考验。因此，传统的有限元模型计算效率低。

发明内容

[0005] 鉴于此，有必要提供一种计算效率较高的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法。

[0006] 一种带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，其中，所述柔性支撑空间反射镜包括反射镜反射面、柔性支撑结构和反射镜背部及周边结构，所述设计方法包括以下步骤：

[0007] 建立反射镜反射面的有限元模型；

[0008] 建立柔性支撑结构的等效模型；

[0009] 建立反射镜背部及周边结构的等效模型；

[0010] 优化并组装所述带有柔性支撑的空间反射镜模型。

[0011] 在一个实施例中，所述建立反射镜反射面的有限元模型的操作如下：

[0012] 按照光学设计输入设计指标，确定所述反射镜反射面的形状，其中，所述反射镜反射面采用壳单元进行模拟。

[0013] 在一个实施例中，所述建立柔性支撑结构的等效模型的操作如下：

[0014] 根据反射镜的设计要求，设计所述柔性支撑结构形式及数量；

[0015] 采用弹簧单元对每个所述柔性支撑结构进行等效化建模；

[0016] 提取每个所述柔性支撑结构的接触力-位移曲线和弯矩-转角曲线，并赋值给对应的所述弹簧单元。

[0017] 在一个实施例中，所述弹簧单元包括平行设置的六根弹簧，六根所述弹簧的两端分别共节点连接，其中，六根所述弹簧中，三根为拉簧，另外三根为扭簧。

[0018] 在一个实施例中，所述弹簧采用一维弹簧单元。

[0019] 在一个实施例中，建立反射镜背部及周边结构的等效模型的操作如下：

[0020] 根据反射镜的设计要求，设计所述反射镜背部及周边结构形式；

[0021] 采用梁桁架单元对所述反射镜背部及周边结构进行等效化建模；

[0022] 提取所述反射镜的静力学及动力学试验数据，生成结构力-位移曲线和力-速度曲线，并赋值给所述梁桁架单元。

[0023] 在一个实施例中，所述梁单元包括多根梁，所述多根梁相互连接成桁架形式，并建立力-位移关系及力-速度关系。

[0024] 在一个实施例中，所述力-位移曲线由实际结构力学环境试验和理论推导方式获得；

[0025] 所述力-速度曲线由实际扫频试验和理论推导方式获得。

[0026] 在一个实施例中，所述反射镜的设计要求包括反射镜口径、面形要求和结构包络要求。

[0027] 在一个实施例中，优化并组装所述带有柔性支撑的空间反射镜模型的操作如下：

[0028] 针对所述柔性支撑结构的数量、所述梁的个数和相邻的两个所述梁之间的夹角进行参数优化设计；

[0029] 生成确定将所述反射镜反射面、所述柔性支撑结构和所述反射镜背部及周边结构进行连接的反射镜简化建模方案；

[0030] 对所述反射镜反射面的有限元模型、所述柔性支撑结构的等效模型和所述反射镜背部及周边结构的等效模型进行优化求解，保证各连接环节共节点连接。

[0031] 上述带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，基于空间反射镜设计理念及结构形式，对反射镜反射面、反射镜背部及周边结构、柔性支撑结构合理简化处理，选取多个设计变量，进行参数优化设计。在满足反射镜求解精度的前提下，有效提高了计算效率，缩短了实际计算时间。附图说明

[0032] 图1为一实施方式的带有柔性支撑的空间反射镜整体结构示意图；

[0033] 图2为一实施方式的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法的流程示意图；

[0034] 图3为一实施方式的建立柔性支撑结构的等效模型的操作流程示意图；

[0035] 图4为一实施例的弹簧单元的结构示意图；

[0036] 图5为一实施方式的建立反射镜背部及周边结构的等效模型的操作流程示意图；

[0037] 图6为一实施方式的优化并组装所述带有柔性支撑的空间反射镜模型的操作流程示意图。

具体实施方式

[0038] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0039] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0040] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

[0041] 如图1所示，柔性支撑空间反射镜包括反射镜反射面1、柔性支撑结构和反射镜背部及周边结构2。其中，柔性支撑结构包括支撑骨架3和弹簧单元4，弹簧单元4通过支撑骨架3进行支撑。请参考图2，一实施方式的带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，包括以下步骤：

[0042] S10、建立反射镜反射面的有限元模型。

[0043] S20、建立柔性支撑结构的等效模型。

[0044] S30、建立反射镜背部及周边结构的等效模型。

[0045] S40、优化并组装带有柔性支撑的空间反射镜模型。

[0046] 上述带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，基于空间反射镜设计理念及结构形式，对反射镜反射面、反射镜背部及周边结构、柔性支撑结构合理简化处理，选取多个设计变量，进行参数优化设计。在满足反射镜求解精度的前提下，有效提高了计算效率，缩短了实际计算时间。

[0047] 可以理解，步骤S10、S20和S30不一定要按照先进行S10，再进行S20，最后进行S30的步骤操作。也可以先进行S10，再进行S20和S30。也可以，先进行S20，再进行S10和S30。或者，S10、S20和S30同时进行。即步骤S10、S20和S30的执行没有顺序限制，可以根据实际情况进行。

[0048] S10中，建立反射镜反射面的有限元模型的操作如下：

[0049] 按照光学设计要求确定反射镜反射面几何参数及反射镜材料。几何参数用于描述反射镜反射面的形状，反射镜材料用于描述反射镜力学性能。

[0050] 其中，反射镜反射面采用壳单元进行模拟。壳单元的厚度即为反射镜的镜面的厚度。

[0051] 反射镜材料属性包含弹性模型E、泊松比、材料密度等。

[0052] 反射镜的材料根据实物情况进行选取。

[0053] 请参考图3，S20中，建立柔性支撑结构的等效模型的操作如下：

[0054] S22、根据反射镜的设计要求，设计柔性支撑结构形式及数量。

[0055] 具体的，反射镜的设计要求包括反射镜口径、面形要求和结构包络要求。

[0056] S24、采用弹簧单元对每个柔性支撑结构进行等效化建模。

[0057] 请参考图4，在一个实施例中，弹簧单元4包括平行设置的六根弹簧，六根弹簧的两端分别共节点连接，其中，六根弹簧中，三根为拉簧，另外三根为扭簧。弹簧单元4设计成上述结构可以完整模拟每个柔性支撑在空间六个维度上的柔度特性。

[0058] 在一个实施例中，弹簧采用一维弹簧单元。

[0059] 在一个实施例中，弹簧的材料为非线性弹簧材料。

[0060] S26、提取每个柔性支撑结构的接触力-位移曲线和弯矩-转角曲线，并赋值给对应的弹簧单元。

[0061] 请参考图5，S30中，建立反射镜背部及周边结构的等效模型的操作如下：

[0062] S32、根据反射镜的设计要求，设计反射镜背部及周边结构形式。

[0063] 反射镜的设计要求包括反射镜口径、面形要求、结构包络要求和重量要求。

[0064] S34、采用梁桁架单元对反射镜背部及周边结构进行等效化建模。

[0065] 在一个实施例中，梁单元包括多根梁，多根梁相互连接成桁架形式，并建立力-位移关系及力-速度关系。

[0066] 梁选用MATL196号弹塑性弹簧-阻尼材料。

[0067] S36、提取反射镜的静力学及动力学试验数据，生成结构力-位移曲线和力-速度曲线，并赋值给梁桁架单元。

[0068] 在一个实施例中，力-位移曲线由实际结构力学环境试验和理论推导方式获得。

[0069] 在一个实施例中，力-速度曲线由实际扫频试验和理论推导方式获得。

[0070] 力-位移曲线即为刚度曲线。力-速度曲线即为阻尼曲线。

[0071] 对反射镜背部及周边结构进行简化处理，可以提升计算效率。

[0072] 请参考图6，S40中，优化并组装带有柔性支撑的空间反射镜模型的操作如下：

[0073] S42、针对柔性支撑结构的数量、梁的个数和相邻的两个梁之间的夹角进行参数优化设计。

[0074] S44、生成确定将反射镜反射面、柔性支撑结构和反射镜背部及周边结构进行连接的反射镜简化建模方案。

[0075] S46、对反射镜反射面的有限元模型、柔性支撑结构的等效模型和反射镜背部及周边结构的等效模型进行优化求解，保证各连接环节共节点连接。

[0076] S46中，各连接环节共节点连接指的是反射镜反射面有限元模型、柔性支撑结构等效模型和反射镜背部及周边结构的等效模型之间共节点连接。节点间实现共节点连接后，可实现节点间力的传递。

[0077] 上述带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，基于空间反射镜设计理念及结构形式，通过对反射镜反射面进行合理简化处理，引入梁单元对反射镜背部及周边结构进行合理简化处理，以及引入一系列弹簧单元对柔性支撑结构进行合理简化处理，选取多个设计变量，进行参数优化设计，有效提高了计算效率。

[0078] 上述带有柔性支撑的空间反射镜的设计方法，参数优化设计建立的带有柔性支撑的空间反射镜简化模型，可为方案设计及详细设计阶段提供快捷、有效参考。

[0079] 以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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