轻型反射镜的超轻化优化设计方法技术

轻型反射镜的超轻化优化设计方法，涉及微型遥感空间反射镜的超轻化设计领域，解决现有轻型反射镜轻量化设计方法存在设计效率低、过程繁琐导致无法实现多目标的全局最优求解等问题，本发明专利技术结合拓扑优化和多目标的集成尺寸参数优化对反射镜镜体进行超轻化设计。实现了反射镜优化设计过程中的多目标求解；由计算机完成大量人工修改模型与仿真验证工作，大大提高了设计效率；可以找到全局最优解，不陷入局部最优误解中。本发明专利技术的方法适用于不同口径反射镜的超轻化设计当中。

【技术实现步骤摘要】
轻型反射镜的超轻化优化设计方法
本专利技术涉及微型遥感空间反射镜的超轻化设计领域，具体涉及一种轻型反射镜的超轻化优化设计方法。
技术介绍
微型遥感器用于提供分布式高分辨率空间遥感影像，能够大幅度降低卫星载荷并提高载荷的长期稳定性和环境适应性，在全球热点敏感地区、突发事件、国土资源的监测和评估、环境及自然灾害监测、海岸线监护管理、抢险救灾等领域有着重要的科学意义与经济价值。光学反射镜是微型遥感器光学系统中的核心部分，其面形精度高低直接影响整个遥感器成像质量的好坏。同时，微型遥感器对于遥感器的重量有着严格的要求，在保证面形精度的基础上必须对光学反射镜进行超轻化设计。微型遥感器对于分辨率有很高的要求，为了提高反射镜的面形，需要提高反射镜的刚度，而刚度的提升往往伴随着重量的增加，高刚度与轻质是一对矛盾体，即反射镜的设计目标是获得高比刚度的光学元件。提高反射镜的比刚度除了选用高比刚度的反射镜材料外，主要通过反射镜的轻量化设计来实现。合适的轻量化结构不仅可以提高反射镜的比刚度，降低光学系统的总体重量，还会简化支撑结构的设计。传统的反射镜轻量化设计方法，采用经验设计，建立轻量化模型，通过有限元分析进行校核。这种方法依靠设计者的经验，通过传统设计理论和经验公式设计反射镜的轻量化结构，再通过有限元进行仿真分析以校核验证结构是否达到设计要求，再修改模型，重新设计验证，直到满足设计标准为止。这种方法设计繁琐，效率低下；很难得到全局最优解；更加无法实现多目标的最优求解。
技术实现思路
本专利技术为解决现有轻型反射镜轻量化设计方法存在设计效率低、过程繁琐导致无法实现多目标的全局最优求解等问题，提供一种轻型反射镜的超轻化优化设计方法。轻型反射镜的超轻化优化设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据反射镜的设计指标确定反射镜外径、通光孔径、镜体的整体厚度、支撑点的个数和支撑的方式，建立以支撑孔中心线到光轴的距离为优化参数，以反射镜水平方向和垂直方向的自重面形为目标的优化模型，通过所述优化模型对支撑孔位置进行优化，确定支撑孔中心线到光轴的距离，获得支撑孔的位置；步骤二、采用步骤一确定的优化参数在Hypermesh软件中建立有限元模型，在Optistruct软件中设定旋转对称性约束和拔模方向约束，以反射镜镜体重量最小为优化目标函数，以反射镜镜面上的点沿光轴方向的位移为约束条件，在Hyperview软件中对反射镜的设计区域进行拓扑优化；给反射镜体施加自重状态的载荷和边界位移条件，迭代优化获得最佳的镜体材料分布形式，确定轻量化支撑孔的形式，建立反射镜的初始轻量化模型；步骤三、通过集成仿真优化软件集成建模软件、有限元分析软件、数据处理软件和面形拟合软件对初始模型进行自动化和多目标的集成优化；以反射镜镜体质量最小和镜坯在检测方向重力载荷下的镜面面形精度RMS值变化最小为优化设计目标，以加工方向重力载荷下的镜面面形精度RMS值为约束条件，采用自适应遗传优化算法对反射镜上决定镜面面形精度的镜面、反射镜外壁、反射镜通光孔壁、加强筋和支撑孔孔壁厚度，支撑孔孔径，加强筋间距和背部材料切除部分的高度尺寸参数进行优化，获得超轻化反射镜模型；步骤四、对步骤三获得的超轻化反射镜模型进行工程分析和加工工艺性分析，检测所述超轻化反射镜模型的重量和面形精度是否达到步骤一所述的反射镜设计指标要求，如果否，则返回步骤二，如果是，设计结束。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的一种轻型空间反射镜的超轻化优化设计方法，结合拓扑优化和多目标的集成尺寸参数优化对反射镜镜体进行超轻化设计。实现了反射镜优化设计过程中的多目标求解；由计算机完成大量人工修改模型与仿真验证工作，大大提高了设计效率；可以找到全局最优解，不陷入局部最优误解中。本专利技术提供的超轻化优化设计方法适用于不同口径反射镜的超轻化设计当中。附图说明图1为本专利技术所述的轻型反射镜的超轻化优化设计方法流程图；图2为本专利技术所述的轻型反射镜的超轻化优化设计方法的支撑孔位置优化结果图；图3为本专利技术所述的轻型反射镜的超轻化优化设计方法中的拓扑优化结果图；图4为本专利技术所述的轻型反射镜的超轻化优化设计方法中的集成优化设计流程；图5为本专利技术所述的轻型反射镜的超轻化优化设计方法中的集成优化尺寸参数示意图；图6为本专利技术所述的轻型反射镜的超轻化优化设计方法中的多目标集成优化结果示意图；图7为本专利技术所述的轻型反射镜的超轻化优化设计方法的超轻化结果图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1至图7说明本实施方式，轻型反射镜的超轻化优化设计方法，本实施方式结合了拓扑优化、多目标的集成尺寸优化和工程分析，是一种综合优化设计方法，其具体过程为：步骤一：确定支撑孔中心线到光轴的距离。根据反射镜的有效通光口径和光学指标公差要求，确定镜体的设计指标，根据设计指标确定反射镜外径及通光孔径的大小、反射镜球面半径、镜体的整体厚度、支撑点的个数和支撑的方式。建立以支撑孔中心线到光轴的距离为优化参数，以水平和垂直方向的自重面形为目标的优化模型，对支撑孔位置进行优化，确定支撑孔中心线到光轴的距离；其中，支撑孔中心线到光轴的距离取值范围为：0.6倍的反射镜外壁半径-0.7倍的反射镜外壁半径。优化结果如图2所示。最终确定支撑孔中心线到光轴的距离为72mm。步骤二：拓扑优化确定初始轻量化模型。按照步骤一所得参数建立有限元模型，以Hypermesh为有限元前处理器，利用Optistruct进行拓扑优化解算，以Hyperview为有限元后处理器对模型进行拓扑优化。定义支撑孔侧壁与反射镜前面板为非设计区域，反射镜镜坯的镜体背部其余部分为可设计区域，并设定旋转对称性约束和拔模方向约束。以镜体重量最小为优化目标函数，以反射镜镜面上的点沿光轴方向位移为约束条件，对反射镜的可优化区域进行拓扑优化。给镜体施加自重状态的载荷和边界位移条件，迭代优化获得最佳的镜体材料分布形式，确定轻量化孔形式，建立反射镜的初始轻量化模型；本实施方式的拓扑优化旨在保留反射镜有益部分的材料，去除多余部分的材料，以达到反射镜超轻化的目的。在反射镜概念设计阶段，采用拓扑优化的目的是寻找结构的最佳拓扑形式。本实施方式中，以支撑孔侧壁和反射镜的前面板为非设计区域，其余部分为设计区域，以镜体重量最小为优化目标，以反射镜镜面上的点沿光轴方向的位移小于12nm为约束的拓扑优化方法。在执行拓扑优化过程中，通过改变有限元模型的体积分数来增减可设计区域的材料，以确定反射镜基本结构形式。拓扑优化的结果如图3所示。在通光孔和支撑孔附近材料被保留的部分应设计侧壁和加强筋，而在离支撑孔较远的镜体边缘材料被去除的部分应切除。步骤三：多目标集成尺寸优化。通过集成仿真优化软件集成建模软件、有限元分析软件、数据处理软件和面形拟合软件对初始模型进行自动化和多目标的集成优化。以反射镜镜体质量最小和镜坯在检测方向重力载荷下的镜面面形精度RMS值变化最小为优化设计目标，以加工方向重力载荷下的镜面面形精度RMS值为约束条件，采用自适应遗传优化算法(AMGA)对反射镜上决定镜面面形精度的镜面、反射镜外壁、反射镜通光孔壁、加强筋和支撑孔孔壁厚度，支撑孔孔径，加强筋间距和背部材料切除部分高度等尺寸参数进行优化，获得全局最优解，建立超轻化反射镜模型；本实施方式中，多目标集成尺寸优化是通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
轻型反射镜的超轻化优化设计方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：步骤一、根据反射镜的设计指标确定反射镜外径、通光孔径、镜体的整体厚度、支撑点的个数和支撑的方式，建立以支撑孔中心线到光轴的距离为优化参数，以反射镜水平方向和垂直方向的自重面形为目标的优化模型，通过所述优化模型对支撑孔位置进行优化，确定支撑孔中心线到光轴的距离，获得支撑孔的位置；步骤二、采用步骤一确定的优化参数在Hypermesh软件中建立有限元模型，在Optistruct软件中设定旋转对称性约束和拔模方向约束，以反射镜镜体重量最小为优化目标函数，以反射镜镜面上的点沿光轴方向的位移为约束条件，在Hyperview软件中对反射镜的设计区域进行拓扑优化；给反射镜体施加自重状态的载荷和边界位移条件，迭代优化获得最佳的镜体材料分布形式，确定轻量化支撑孔的形式，建立反射镜的初始轻量化模型；步骤三、通过集成仿真优化软件集成建模软件、有限元分析软件、数据处理软件和面形拟合软件对初始模型进行自动化和多目标的集成优化；以反射镜镜体质量最小和镜坯在检测方向重力载荷下的镜面面形精度RMS值变化最小为优化设计目标，以加工方向重力载荷下的镜面面形精度RMS值为约束条件，采用自适应遗传优化算法对反射镜上决定镜面面形精度的镜面、反射镜外壁、反射镜通光孔壁、加强筋和支撑孔孔壁厚度，支撑孔孔径，加强筋间距和背部材料切除部分的高度尺寸参数进行优化，获得超轻化反射镜模型；步骤四、对步骤三获得的超轻化反射镜模型进行工程分析和加工工艺性分析，检测所述超轻化反射镜模型的重量和面形精度是否达到步骤一所述的反射镜设计指标要求，如果否，则返回步骤二，如果是，设计结束。...

【技术特征摘要】
1.轻型反射镜的超轻化优化设计方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：步骤一、根据反射镜的设计指标确定反射镜外径、通光孔径、镜体的整体厚度、支撑点的个数和支撑的方式，建立以支撑孔中心线到光轴的距离为优化参数，以反射镜水平方向和垂直方向的自重面形为目标的优化模型，通过所述优化模型对支撑孔位置进行优化，确定支撑孔中心线到光轴的距离，获得支撑孔的位置；步骤二、采用步骤一确定的优化参数在Hypermesh软件中建立有限元模型，在Optistruct软件中设定旋转对称性约束和拔模方向约束，以反射镜镜体重量最小为优化目标函数，以反射镜镜面上的点沿光轴方向的位移为约束条件，在Hyperview软件中对反射镜的设计区域进行拓扑优化；给反射镜体施加自重状态的载荷和边界位移条件，迭代优化获得最佳的镜体材料分布形式，确定轻量化支撑孔的形式，建立反射镜的初始轻量化模型；步骤三、通过集成仿真优化软件集成建模软件、有限元分析软件、数据处理软件和面形拟合软件对初始模型进行自动化和多目标的集成优化；以反射镜镜体质量最小和镜坯在检测方向重力载荷下的镜面面形精度RMS值变化最小为优化设计目标，以加工方向重力载荷下的镜面面形精度RMS值为约束条件，采用自适应遗传优化算法对反射镜上决定镜面面形精度的镜面、反射镜外壁、反射镜通光孔壁、加强筋和支撑孔孔壁厚度，支撑孔孔径，加强筋间距和背部材料切除部分的高度尺寸参数进行优化，获得超轻化反射镜模型；步骤四、对步骤三获得的超轻化反射镜模型进行工程分析和加工工艺性分析，检测所述超轻化反射镜模型的重量和面形精度是否达到步骤一所述的反射镜设计指标要求，如果否，则返回步骤二，如果是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，贾学志，柯善良，李林，杜一民，
申请(专利权)人：长光卫星技术有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林,22