望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法，包括以下步骤：(1)简化子镜模型；(2)确定Whiffletree支撑点数量并对各支撑点的位置进行参数化表示；(3)建立子镜及支撑点的参数化模型，并赋初值，施加约束和载荷进行首次静力学分析，得出该子镜上表面所有节点位移；(4)计算节点位移的均方根值RMS；(5)以支撑点的位置参数作为优化变量、以最小的RMS作为优化目标进行优化，得到优化后的Whiffletree支撑点位置。本发明专利技术通过对优化方法整体流程步骤、各个关键步骤所使用的参量等进行改进，能够获得合理的支撑点的位置参数，得到满足设计要求的子镜上表面面型精度。

Optimal design method of Whiffletree support point for telescope main mirror model

The invention discloses an optimized design method of the Whiffletree support point position of a telescope mirror mirror model, which includes the following steps: (1) simplifying the sub mirror model; (2) determining the number of support points and parameterized the position of the support points; (3) establishing the parameterized model of the sub mirrors and supporting points, and giving initial values, The constraint and load are applied for the first statics analysis, and all the node displacements on the surface of the sub mirror are obtained. (4) the mean square root value of the node displacement is calculated RMS; (5) the position parameters of the supporting point are taken as the optimization variable and the minimum RMS is optimized as the optimization target, and the position of the Whiffletree support point after the optimization is obtained. By improving the whole process steps of the optimization method and the parameters used in each key step, the invention can obtain the reasonable position parameters of the supporting point and get the surface profile accuracy on the sub mirror which meets the design requirements.

【技术实现步骤摘要】
望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法
本专利技术属于天文、机械自动化领域，更具体地，涉及一种望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法。
技术介绍
随着现代天文技术的发展，对望远镜的成像的能力要求越来越高，其口径也越来越大。从望远镜主镜的建造、磨制、运输和成本来看，当望远镜的直径超过8m时，无论从上述哪个方面来说都是非常困难。而当采用拼接镜技术，主镜是由众多子镜组成，只要子镜的刚度足够，主镜的重量及厚度会大幅度减小，大尺寸的磨镜机、镀膜机也不需要，并且为应用高反射膜和复制技术创造了条件。这使得特大口径的望远镜建造变为可能，使其成为现代大型望远镜普遍采用的一个方式。在大口径望远镜技术中，主镜支撑技术是关键技术之一。由于采用了拼接镜技术，对于之前的对于单个主镜的支撑就转化为了现在的对于多个子镜的支撑。子镜支撑分为轴向支撑和侧向支撑。子镜轴向支撑大都采用Whiffletree的支撑方式。由于镜子自身的重力，对于轴向支撑点位置的设计会直接影响子镜的上表面的面形精度，因此对于轴向支撑点的布置会很大影响最终的成像质量。传统的设计方法是根据质心的位置大致确实支撑点的位置，然后采用插值的方法逐一验证，直到达到理想的面形精度要求，但这种方法费时费力，而且很可能所得到的是局部最小值而不是最优值。而采用基于ISIGHT软件的多学科优化设计的子镜Whiffletree支撑点的优化分析方法可以在整个设计空间上搜索最优值，从而得到大口径望远镜主镜的理想面形精度。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法，其中通过对优化方法整体流程步骤、各个关键步骤(如模型简化步骤、静力学分析步骤及优化步骤等)所使用的参量等进行改进，能够获得合理的支撑点的位置参数，得到满足设计要求的子镜上表面面型精度；并且，本专利技术优选基于ISIGHT软件进行优化，可以在整个设计空间上搜索最优值，从而获得优良的大口径望远镜主镜理想面形精度。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对子镜其上下表面进行简化，得到能够与该子镜的上表面和下表面相对应的平面简化模型；(2)根据子镜形状及所使用材料的特性，得出该子镜允许的最少支撑点数量；接着，结合Whiffletree结构确定轴向支撑Whiffletree支撑点数量，并得出与该Whiffletree支撑点数量相对应的Whiffletree支撑点位置的参数化表示；所述Whiffletree支撑点数量大于等于所述最少支撑点数量；(3)根据所述步骤(1)得到的所述简化模型，以及所述步骤(2)得到的所述Whiffletree支撑点位置的参数化表示，建立子镜及支撑点的参数化模型，然后对该参数化模型中各个所述Whiffletree支撑点的位置参数赋予满足Whiffletree支撑点分布要求对应的参数范围内的随机初值，接着对该参数化模型进行网格的划分和细化，并施加约束和子镜的载荷，进行首次静力学分析，得出该子镜上表面所有节点位移、以及节点位移最大值；(4)根据所述步骤(3)得到的所述子镜上表面所有节点位移，计算得出节点位移的均方根值RMS；(5)优化过程：以所述参数化模型中各个所述Whiffletree支撑点的位置参数作为优化变量，以最小的节点位移均方根值RMS作为优化目标，以各个节点的轴向位移均不超过预先设定值作为优化约束条件，利用优化算法对所述优化变量进行优化，得出最小节点位移均方根值RMS的最优值；与该最优值相对应的各个Whiffletree支撑点的位置参数即为得到的优化后Whiffletree支撑点位置；其中，子镜上表面所有节点位移的计算原理与所述步骤(3)中的所述首次静力学分析的原理相同；节点位移均方根值RMS的计算原理与所述步骤(4)中的计算原理相同。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述子镜形状及所使用材料的特性包括子镜外接圆半径、子镜材料的密度、子镜厚度、允许的面形精度的PV值、弹性模量、以及泊松比；所述步骤(3)中，所述建立子镜及支撑点的参数化模型，是在ANSYS软件下利用APDL语言建立的；所述首次静力学分析是利用该ANSYS软件，将得出的所述子镜上表面所有节点位移作为文本文件输出；该首次静力学分析的所有分析过程则生成LGW文件；所述步骤(4)是优选利用VisualStudio软件编辑得到EXE的可执行文件，该EXE可执行文件用于对所述子镜上表面所有节点位移进行数据处理，得到所述节点位移的均方根值RMS并输出至ou.txt文件中；所述步骤(5)优选是利用ISIGHT软件并基于所述步骤(3)中得到的所述LGW文件、以及所述步骤(4)中得到的所述EXE可执行文件，分别得到ISIGHT对ANSYS的集成、以及ISIGHT对EXE文件的集成，并设计出涉及所述优化变量、所述优化目标、以及所述优化约束条件的优化模型，利用该ISIGHT软件内部含有的优化算法对所述优化变量进行优化，从而得出所述最小节点位移均方根值RMS的最优值。作为本专利技术的进一步优选，所述ISIGHT对ANSYS的集成具体是通过以下步骤得出的：在所述ISIGHT中，通过Simcode组件将所述LGW文件作为ISIGHT集成ANSYS的输入文件，并建立能够驱动ANSYS软件的文件作为该ISIGHT对ANSYS的集成的执行文件，利用该ISIGHT对ANSYS的集成的输出文件对所述文本文件进行更新即得到更新后的子镜上表面所有节点位移的文本文件；所述ISIGHT对EXE文件的集成具体是通过所述ISIGHT中的所述Simcode组件，将所述EXE可执行文件本身作为该ISIGHT对EXE文件的集成的执行文件，所述更新后的子镜上表面所有节点位移的文本文件作为ISIGHT集成EXE文件的输入文件，利用该ISIGHT对EXE文件的集成的输出文件对所述ou.txt文件进行更新即得到更新后的节点位移的均方根值RMS的ou.txt文件。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(5)中，所述优化算法为全局模拟退火优化算法；优选的，该优化过程是通过Optimization组件将所述优化变量、所述优化约束条件、所述优化目标、所述优化算法及集成ANSYS和EXE文件的Simcode组件进行整合，完成优化平台的搭建，得到与最优值对应的Whiffletree支撑点位置参数。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述平面简化模型是将所述子镜的上表面简化为上表面中心点处的切平面，所述子镜的下表面简化为下表面中心点处的切平面，从而得到平面简化模型。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述Whiffletree支撑点数量为27个，其中，半径值为R10的内侧圆上有3个点，半径值为R20、R30的中间两圆上分别有6个点和12个点，半径值为R40的外侧圆上有6个点；这27个Whiffletree支撑点按对称图形分布，每9个点为一组，三组中任意两组相对称，记任意一组中9个点分别为第一支撑点、第二支撑点、第三支撑点、第四支撑点、第五支撑点、第六支撑点、第七支本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对子镜其上下表面进行简化，得到能够与该子镜的上表面和下表面相对应的平面简化模型；(2)根据子镜形状及所使用材料的特性，得出该子镜允许的最少支撑点数量；接着，结合Whiffletree结构确定轴向支撑Whiffletree支撑点数量，并得出与该Whiffletree支撑点数量相对应的Whiffletree支撑点位置的参数化表示；所述Whiffletree支撑点数量大于等于所述最少支撑点数量；(3)根据所述步骤(1)得到的所述简化模型，以及所述步骤(2)得到的所述Whiffletree支撑点位置的参数化表示，建立子镜及支撑点的参数化模型，然后对该参数化模型中各个所述Whiffletree支撑点的位置参数赋予满足Whiffletree支撑点分布要求对应的参数范围内的随机初值，接着对该参数化模型进行网格的划分和细化，并施加约束和子镜的载荷，进行首次静力学分析，得出该子镜上表面所有节点位移、以及节点位移最大值；(4)根据所述步骤(3)得到的所述子镜上表面所有节点位移，计算得出节点位移的均方根值RMS；(5)优化过程：以所述参数化模型中各个所述Whiffletree支撑点的位置参数作为优化变量，以最小的节点位移均方根值RMS作为优化目标，以各个节点的轴向位移均不超过预先设定值作为优化约束条件，利用优化算法对所述优化变量进行优化，得出最小节点位移均方根值RMS的最优值；与该最优值相对应的各个Whiffletree支撑点的位置参数即为得到的优化后Whiffletree支撑点位置；其中，子镜上表面所有节点位移的计算原理与所述步骤(3)中的所述首次静力学分析的原理相同；节点位移均方根值RMS的计算原理与所述步骤(4)中的计算原理相同。...

【技术特征摘要】
1.一种望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对子镜其上下表面进行简化，得到能够与该子镜的上表面和下表面相对应的平面简化模型；(2)根据子镜形状及所使用材料的特性，得出该子镜允许的最少支撑点数量；接着，结合Whiffletree结构确定轴向支撑Whiffletree支撑点数量，并得出与该Whiffletree支撑点数量相对应的Whiffletree支撑点位置的参数化表示；所述Whiffletree支撑点数量大于等于所述最少支撑点数量；(3)根据所述步骤(1)得到的所述简化模型，以及所述步骤(2)得到的所述Whiffletree支撑点位置的参数化表示，建立子镜及支撑点的参数化模型，然后对该参数化模型中各个所述Whiffletree支撑点的位置参数赋予满足Whiffletree支撑点分布要求对应的参数范围内的随机初值，接着对该参数化模型进行网格的划分和细化，并施加约束和子镜的载荷，进行首次静力学分析，得出该子镜上表面所有节点位移、以及节点位移最大值；(4)根据所述步骤(3)得到的所述子镜上表面所有节点位移，计算得出节点位移的均方根值RMS；(5)优化过程：以所述参数化模型中各个所述Whiffletree支撑点的位置参数作为优化变量，以最小的节点位移均方根值RMS作为优化目标，以各个节点的轴向位移均不超过预先设定值作为优化约束条件，利用优化算法对所述优化变量进行优化，得出最小节点位移均方根值RMS的最优值；与该最优值相对应的各个Whiffletree支撑点的位置参数即为得到的优化后Whiffletree支撑点位置；其中，子镜上表面所有节点位移的计算原理与所述步骤(3)中的所述首次静力学分析的原理相同；节点位移均方根值RMS的计算原理与所述步骤(4)中的计算原理相同。2.如权利要求1所述望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述子镜形状及所使用材料的特性包括子镜外接圆半径、子镜材料的密度、子镜厚度、允许的面形精度的PV值、弹性模量、以及泊松比；所述步骤(3)中，所述建立子镜及支撑点的参数化模型，是在ANSYS软件下利用APDL语言建立的；所述首次静力学分析是利用该ANSYS软件，将得出的所述子镜上表面所有节点位移作为文本文件输出；该首次静力学分析的所有分析过程则生成LGW文件；所述步骤(4)是优选利用VisualStudio软件编辑得到EXE的可执行文件，该EXE可执行文件用于对所述子镜上表面所有节点位移进行数据处理，得到所述节点位移的均方根值RMS并输出至ou.txt文件中；所述步骤(5)优选是利用ISIGHT软件并基于所述步骤(3)中得到的所述LGW文件、以及所述步骤(4)中得到的所述EXE可执行文件，分别得到ISIGHT对ANSYS的集成、以及ISIGHT对EXE文件的集成，并设计出涉及所述优化变量、所述优化目标、以及所述优化约束条件的优化模型，利用该ISIGHT软件内部含有的优化算法对所述优化变量进行优化，从而得出所述最小节点位移均方根值RMS的最优值。3.如权利要求2所述望远镜主镜子镜模型的Whiffletree支撑点位置的优化设计方法，其特征在于，所述ISIGHT对ANSYS的集成具体是通过以下步骤得出的：在所述ISIGHT中，通过Simcode组件将所述LGW文件作为ISIGHT集成ANSYS的输入文件，并建立能够驱动ANSYS软件的文件作为该ISIGHT对ANSYS的集成的执行文件，利用该ISIGHT对ANSYS的集成的输出文件对所述文本文件进行更新即得到更新后的子镜上表面所有节点位移的文本文件；所述ISIGHT对EXE文件的集成具体是通过所述ISIGHT中的所述Simcode组件，将所述EXE可执行文件本身作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈良洲，宋永锋，宋畅，金磊，陈有林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42