大口径光学望远镜四通结构的设计方法及得到的四通结构技术

大口径光学望远镜四通结构的设计方法及得到的四通结构，涉及机械行业光电仪器领域，解决了现有四通结构的设计方法存在的产品设计周期长且结构轻量化率低的问题。该方法为：构建四通结构初始化几何模型，采用有限元方法对其进行离散构建有限元仿真模型，在满足位移变形的优化约束条件下以四通材料分布为优化设计变量，以降低四通质量为优化目标，采用拓扑优化方法对有限元仿真模型进行减重优化，对外壳板、内筋板和内圈板进行分布设计并确定其初始厚度，以初始厚度为优化设计变量进行再减重优化，进行刚度性能分析校核获得满足性能约束的轻量化四通结构。得到的四通结构最大变形量为0.0698mm，小于设计最大变形0.08mm，质量由122.217t减至13.776t，轻量化率达到89％。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】大口径光学望远镜四通结构的设计方法及得到的四通结构，涉及机械行业光电仪器领域，解决了现有四通结构的设计方法存在的产品设计周期长且结构轻量化率低的问题。该方法为：构建四通结构初始化几何模型，采用有限元方法对其进行离散构建有限元仿真模型，在满足位移变形的优化约束条件下以四通材料分布为优化设计变量，以降低四通质量为优化目标，采用拓扑优化方法对有限元仿真模型进行减重优化，对外壳板、内筋板和内圈板进行分布设计并确定其初始厚度，以初始厚度为优化设计变量进行再减重优化，进行刚度性能分析校核获得满足性能约束的轻量化四通结构。得到的四通结构最大变形量为0.0698mm，小于设计最大变形0.08mm，质量由122.217t减至13.776t，轻量化率达到89％。【专利说明】大口径光学望远镜四通结构的设计方法及得到的四通结构
本专利技术涉及机械行业光电仪器
，具体涉及一种大口径光学望远镜四通结 构的设计方法及得到的四通结构。
技术介绍
大口径光学望远镜是对宇宙深空目标探测的重要技术手段之一，对大视场和高分 辨率的追求，使得望远镜口径越来越大，跟踪架的尺寸随之增大，现有的跟踪架趋于笨重， 成本较高，且难于控制。 四通结构作为跟踪架的重要支撑部件，承载着主镜室和次镜室组件，其减重设计 对整个望远镜系统有着重要意义。现有四通结构的设计方法如图1所示：首先根据经验类 比构型得到初步构型，接着经过有限元（FEA)仿真性能校核与局部筋板布置的循环，再通 过进一步的优化设计最终得到满足要求的四通结构。利用上述方法获得的四通结构在很大 程度上受限于初始的经验类比构型，性能约束只能通过被动校核与再设计的往复循环，产 品设计周期长，且结构轻量化率低。
技术实现思路
为了解决现有四通结构的设计方法存在的产品设计周期长且结构轻量化率低的 问题，本专利技术提供一种通过拓扑优化和尺寸优化实现的一种大口径光学望远镜四通结构的 设计方法及得到的四通结构。 本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案如下： 本专利技术的大口径光学望远镜四通结构的设计方法，该方法通过以下步骤实现： 步骤一、构建四通结构的初始化几何模型 根据设计和装配要求，确定四通结构的外形参数，构建优化前的四通结构初始化 几何模型； 步骤二、构建四通结构的有限元仿真模型 采用有限元方法对四通结构初始化几何模型进行离散，根据实际工况确定载荷条 件和边界约束条件，构建四通结构的有限元仿真模型； 步骤三、拓扑优化 在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U〈0. 08mm，保留安装孔和通光 孔，以四通结构的材料分布为优化设计变量，以降低四通结构的质量为优化目标，采用拓扑 优化方法对四通结构有限元仿真模型进行减重拓扑优化设计； 步骤四、尺寸优化 根据拓扑优化结果对步骤三中得到的四通结构进行外壳板、内筋板和内圈板的分 布设计，并分别确定外壳板、内筋板和内圈板的初始厚度； 步骤五、构建优化结果模型 在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U〈0. 08mm，以外壳板、内筋板和 内圈板的初始厚度为优化设计变量，对步骤四中得到的四通结构进行再减重尺寸优化设 计，得到经过初步尺寸优化设计的四通结构； 步骤六、刚度性能分析校核 对步骤五中得到的四通结构进行刚度性能校核，根据校核结果对四通结构的结构 参数进行调整，获得满足性能约束的轻量化四通结构。 步骤二中构建的四通结构有限元仿真模型为实体单元模型，单元数为19248个， 耦合单元为4个。 步骤四中，所述外壳板的初始厚度Tl为14mm，所述内筋板的初始厚度T2为8mm， 所述内圈板的初始厚度T3为10mm。 采用上述的大口径光学望远镜四通结构的设计方法设计得到的四通结构，该四通 结构为多面体结构，包括外壳板、多块内筋板、内圈板、两个安装孔和两个通光孔；所述外壳 板由侧面板、上面板和下面板组成；所述侧面板由八块长方形板组成,上面板和下面板的结 构和尺寸相同，是一种带有圆形中心孔的八边形，上面板和下面板的内边缘为圆形；所述内 圈板为一个圆柱形板，其上下边缘分别与外壳板的上下面板内边缘相接；两个安装孔和两 个通光孔间隔均匀设置在四通结构上；多块内筋板均匀分布在四通结构内部。 所述内筋板为七十六块，按布置方式分为横置筋板、坚置筋板、发散筋板和局部筋 板；所述横置筋板共两层八块，将四通结构分为三层，每层横置筋板在安装孔和通光孔处 断开，共四块，平行于外壳板的上下面板，连接外壳板的侧面板和内圈板；所述坚置筋板共 二十四块，将四通结构分为内外两圈，位于外壳板的侧面板和内圈板中间，连接外壳板的上 下面板；所述发散筋板共二十八块，以四通结构中心呈辐射方式布置，连接外壳板的上面 板、下面板、侧面板和内圈板；所述局部筋板共十六块，靠近通光孔和安装孔，每个孔处布置 四块，连接外壳板和横置筋板；所述横置筋板、坚置筋板、发散筋板均为长方形。 该四通结构的最大变形量为0. 0698mm，小于设计最大变形0. 08mm，该四通结构的 质量由122. 217t减至13. 776t，轻量化率达到89%。 本专利技术的有益效果是： 本专利技术与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著进步： 1、通过本专利技术的大口径光学望远镜四通结构的设计方法设计得到的四通结构除 安装孔和通光孔位置，其他区域经过拓扑优化，进行的内筋板位置布置，相比现有四通结 构，该设计方法得到的四通结构最大变形量为〇· 0698mm，小于设计最大变形0· 08mm，质量 由122. 217t减至13. 776t，轻量化率达到89%，轻量化率提高，四通结构满足性能约束的轻 量化要求。 2、在结构拓扑优化的基础上进行板厚的尺寸优化，可以得到最优概念构型下的最 优详细方案。 3、在校核性能之前，主动将位移等刚度约束作为优化约束，极大减少了现有技术 中设计-校核-再设计-再校核的循环次数，在满足结构刚度等性能条件下，缩短产品的设 计周期，尤其是要求的性能约束条件越多，该设计方法的优势越明显。 4、根据该设计方法设计的四通结构可以在保障刚度性能的同时，缩短设计周期， 大幅度减小四通结构的质量，以便于系统运行和控制。 【专利附图】【附图说明】 图1为现有四通结构的设计方法的流程图。 图2为本专利技术的大口径光学望远镜四通结构的设计方法的流程图。 图3为本专利技术得到的四通结构的1/8模型图。 图4为本专利技术得到的四通结构的1/2模型图。 图5为本专利技术中的四通结构的初始化几何模型图。 图6为本专利技术中的四通结构的有限元仿真模型图。 图7为四通结构拓扑优化结果图。 图8为四通结构尺寸优化迭代历程图。 图9为本专利技术得到的最终四通结构的等变形线云图。 图中：1、外壳板，2、内筋板，21、横置筋板，22、坚置筋板，23、发散筋板，24、局部筋 板，3、内圈板，4、安装孔，5、通光孔。 【具体实施方式】 以下结合附图对本专利技术作作进一步详细说明。 如图2所示，本专利技术的大口径光学望远镜四通结构的设计方法包括以下步骤： 步骤一、构建四通结构的初始化几何模型 根据设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
大口径光学望远镜四通结构的设计方法，其特征在于，该方法通过以下步骤实现：步骤一、构建四通结构的初始化几何模型根据设计和装配要求，确定四通结构的外形参数，构建优化前的四通结构初始化几何模型；步骤二、构建四通结构的有限元仿真模型采用有限元方法对四通结构初始化几何模型进行离散，根据实际工况确定载荷条件和边界约束条件，构建四通结构的有限元仿真模型；步骤三、拓扑优化在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U<0.08mm，保留安装孔(4)和通光孔(5)，以四通结构的材料分布为优化设计变量，以降低四通结构的质量为优化目标，采用拓扑优化方法对四通结构有限元仿真模型进行减重拓扑优化设计；步骤四、尺寸优化根据拓扑优化结果对步骤三中得到的四通结构进行外壳板(1)、内筋板(2)和内圈板(3)的分布设计，并分别确定外壳板(1)、内筋板(2)和内圈板(3)的初始厚度；步骤五、构建优化结果模型在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U<0.08mm，以外壳板(1)、内筋板(2)和内圈板(3)的初始厚度为优化设计变量，对步骤四中得到的四通结构进行再减重尺寸优化设计，得到经过初步尺寸优化设计的四通结构；步骤六、刚度性能分析校核对步骤五中得到的四通结构进行刚度性能校核，根据校核结果对四通结构的结构参数进行调整，获得满足性能约束的轻量化四通结构。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：付世欣，范磊，曹玉岩，王志臣，王志，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22