一种基于拓扑优化与Voronoi支撑的金属反射镜制造技术

本发明专利技术涉及一种基于拓扑优化与Voronoi支撑的金属反射镜，该反射镜包括支撑架体，支撑晶格结构，镜面；所述的支撑晶格结构位于支撑架体与镜面之间，采用拓扑优化设计方法，得到设计空间内最优材料分布。本发明专利技术解决了Voronoi在镜体内部分布过于随机性的问题，结合拓扑优化技术，调节Voronoi网格的种子分布情况，使其相对密度，网格数量，不规则度等参数得到了优化，实现了反射镜设计中结构刚度与轻量化率的有效匹配。量化率的有效匹配。量化率的有效匹配。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑优化与Voronoi支撑的金属反射镜


[0001]本专利技术属于金属反射镜
，涉及一种基于拓扑优化与Voronoi支撑的金属反射镜。

技术介绍

[0002]随着空间光学和航空航天技术的不断发展,反射式光学系统的应用在逐年增多。由于对光学系统的分辨率、成像质量等性能越来越高的要求，驱使着光学系统的焦距及口径也在不断增大。光学系统作为空间遥感的重要有效载荷,其质量的大小直接决定了发射成本和工作性能的高低。因此必须在保证动、静态刚度和强度的前提下对空间光学系统结构进行最大程度的轻量化。其中反射镜的设计方法是整个系统轻量化最基本且最重要的环节。
[0003]金属反射镜与其他材料反射镜相比，以其独特的易加工、低成本等特性，使其成为近几年研究的热点，并且已经在诸多领域中得到广泛应用。但受传统加工方式的限制，像夹层镜这种具有轻质高刚度的结构很难被加工出来。结合增材制造一体化成型技术可以完美解决这一问题，并且大大提升了镜体内部结构设计的自由度，为金属反射镜设计与制造提供了一条全新的技术路线。
[0004]对于反射镜设计，如何匹配结构刚度与轻量化是反射镜设计的重难点。背部封闭式夹层镜作为金属反射镜几种常见轻量化方式中力学性能最好一种，通过传统锻造、减材制造等加工方式难以制造。结合增材制造技术能够完美解决此问题，更重要的是对反射镜内部结构设计提供更多的思路。
[0005]“金属反射镜及其制造方法”(申请号CN 202010447708.7)中，所述的金属反射镜包括封闭型基体和设置在所述基体一端表面的镜面、内部的夹层轻量化结构和另一端表面的背板。采用金属增材制造技术实现镜坯预制后，再利用表面改性，超精密加工技术使镜面达到相应的面形精度。该金属反射镜采用了周期性排布的加强筋设计方式，内部结构较常规。相比较下，其轻量化率和结构刚度未能达到最优。因此未能充分发挥出增材制造技术的优势。
[0006]“具有内部仿生晶格结构的金属反射镜及其加工方法”(申请号CN 202110125427.4)中，所述的金属反射镜，将基于Voronoi的仿生晶格结构设置在支撑架体内，反射镜面设置在支撑架体和仿生晶格结构的一侧，安装凸耳设置在支撑架体的侧壁上。最后仿生晶格结构、反射镜面和安装凸耳与支撑架体采用相同材料由增材制造一体成形。该金属反射镜采用了基于Voronoi的仿生晶格结构设计。但是未对晶格结构进行优化处理，因此不能很好地实现反射镜结构刚度与轻量化之间的权衡，难以发挥出Voronoi随机型、高效性的优势。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于拓扑优化与Voronoi支撑的金属反射
镜，该反射镜实现了设计中结构刚度与轻量化率的有效匹配，结构强度更好。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术的基于拓扑优化与Voronoi支撑的金属反射镜，包括支撑架体，支撑晶格结构，镜面；所述的支撑晶格结构位于支撑架体与镜面之间，采用拓扑优化设计方法，得到设计空间内最优材料分布。
[0009]所述的支撑晶格结构拓扑优化设计方法如下：
[0010]利用三维建模软件创建反射镜初始模型；
[0011]对反射镜施加约束，然后将反射镜设计区域剖分为有限元网格；
[0012]以反射镜设计区域体积为约束条件，反射镜最小应变能为设计目标，建立数学优化模型(1)；设置反射镜口径大小、厚度及设计区域的约束体积V；通过Hypermesh软件中Optistruct求解器进行优化，经过多次迭代后，各有限元相对密度收敛到稳定值，得到设计区域内有限元相对密度的最优分布；
[0013]min：JCa)＝U
T
KU
i
[0014][0015]其中，J(α)为反射镜应变能；α为有限元网格相对密度向量，α
i
为第i个有限元的相对密度；K为设计区域的全局刚度矩阵，U为设计区域的全局位移向量，U
i
为第i个有限元的位移，F为设计区域的全局载荷向量，f为设计区域的体积分数；V0为设计区域原始体积；
[0016]根据应力集中区域有限元相对密度分布增加种子采样数量，有限元相对密度较大的区域种子采样数量大于有限元相对密度较小的区域；同时确定反射镜外接L
×
L正方形区域的边界和整个L
×
L区域内的种子总数N；对L
×
L区域进行Voronoi网格剖分，每个网格内包含一个种子；设相邻网格的中心极限距离为调整种子的位置使L
×
L区域内各种子与相邻种子之间的距离小于d，得到最终的种子点集及Voronoi图；
[0017]修剪Voronoi图，拉伸处理，使其连接反射镜背板与镜面，形成反射镜内部的支撑晶格结构。
[0018]进一步，本专利技术的反射镜采用金属3D打印中的粉末床融合技术制造。
[0019]所述反射镜的背板上对应每个晶胞的位置设置排粉孔。
[0020]所述反射镜的反射面通过超精密加工技术加工得到。
[0021]所述反射镜的反射面为球面、非球面或自由曲面。
[0022]进一步，创建反射镜初始模型前，根据反射镜设计基本参数的边界条件和使用要求选择反射镜材料和支撑形式。
[0023]所述反射镜设计基本参数的边界条件包括反射镜口径大小、厚度；使用要求包括重量限制、面形精度、强制位移。
[0024]所述反射镜支撑形式为背部支撑、侧边支撑或周边支撑。
[0025]所述反射镜周边固定有三个柔性支撑结构，三个柔性支撑结构呈120
°
均匀分布在支撑架体外侧。
[0026]有益效果：
[0027]本专利技术解决了Voronoi在镜体内部分布过于随机性的问题，结合拓扑优化技术，调
节Voronoi网格的种子分布情况，使其相对密度，网格数量，不规则度等参数得到了优化，进而使镜体内部支撑结构的弹性模量，泊松比等性能参数得到提升，实现了反射镜设计中结构刚度与轻量化率的有效匹配，同时能够减小加工时带来的镜面复印效应。结合周边柔性支撑方式，使安装环境力热卸载，从而实现反射镜的无应力安装。最终采用增材制造技术一体化成形技术，大大降低了制造难度，并且缩短加工周期与成本。
附图说明
[0028]图1是去掉一部分镜面后的反射镜示意图。
[0029]图2是反射镜内部结构示意图。
[0030]图3是去掉一部分镜面后的反射镜轴测图。
[0031]图4是本专利技术的流程图。
[0032]图5是Voronoi剖分示意图。
[0033]图6a为背部开放式蜂窝结构反射镜去掉镜面后的图片；图6b为背部封闭式蜂窝结构反射镜去掉一部分镜面后的图片。
具体实施方式
[0034]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化与Voronoi支撑的金属反射镜，包括支撑架体(1)，支撑晶格结构(2)，镜面(3)；其特征在于所述的支撑晶格结构(2)位于支撑架体(1)与镜面(3)之间，采用拓扑优化设计方法，得到设计空间内最优材料分布；该方法如下：利用三维建模软件创建反射镜初始模型；对反射镜施加约束，然后将反射镜设计区域剖分为有限元网格；以反射镜设计区域体积为约束条件，反射镜最小应变能为设计目标，建立数学优化模型(1)；设置反射镜口径大小、厚度及设计区域的约束体积V；通过Hypermesh软件中Optistruct求解器进行优化，经过多次迭代后，各有限元相对密度收敛到稳定值，得到设计区域内有限元相对密度的最优分布；min：J(α)＝U
T
KU
i
其中，J(α)为反射镜应变能；α为有限元网格相对密度向量，α
i
为第i个有限元的相对密度；K为设计区域的全局刚度矩阵，U为设计区域的全局位移向量，U
i
为第i个有限元的位移，F为设计区域的全局载荷向量，f为设计区域的体积分数；V0为设计区域原始体积；根据应力集中区域有限元相对密度分布增加种子采样数量，有限元相对密度较大的区域种子采样数量大于有限元相对密度较小的区域；同时确定反射镜外接L
×
L正方形区域的边界和整个L
×
L区域内的种子总数N；对L
×
L区域进行Voronoi网格剖分，每个网格内包含一个种子；设相邻网格的中心极限距离为调整种子的位置使L
×
L区域内各种子与相邻种子之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继真，谢晓麟，张铠，王哈，徐放，王赫，
申请(专利权)人：长春长光智欧科技有限公司，
类型：发明
国别省市：