一种大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法，在CAD模型中对柔性铰链结构进行参数化处理，建立装配有初始柔性铰链结构的主镜及支撑结构的有限元模型；设置多个工况，求解得到节点位移数据，通过数值拟合获取主镜刚体位移与面形RMS值；建立自动化工作流完成迭代形成数学替代模型；基于数学替代模型进行迭代计算目标值，并对输出的目标值进行评价，选出最优的结构参数目标值作为柔铰结构的尺寸参数。本发明专利技术提出的设计方法具有更快捷更精确的优点，大大节省了计算时间和人力成本，比传统的针对变形和应力做优化具有更直接贴合光学机械的优势，能更准确更全面的反映结构的工作状态，从而得到更好的优化结果。从而得到更好的优化结果。从而得到更好的优化结果。

【技术实现步骤摘要】
一种大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法


[0001]本专利技术涉及光学机械优化设计
，特别涉及一种大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法。

技术介绍

[0002]随着空间技术的飞速发展，大口径主镜作为空间相机光学系统结构中关键组成部分，必须满足系统对它机械结构和光学性能的要求。望远镜的口径越大，主镜的加工精度就相对低，主镜支撑对镜面面型的影响就越大，也就影响了光学系统的成像质量。为了满足主镜结构的面形要求，大口径主镜一般都采取柔性支撑，而柔性铰链也是柔性支撑中不可或缺的部件。
[0003]柔性铰链是利用材料的变形产生位移的一种特殊运动副，用于提供绕轴作复杂运动的有限角位移，具有无机械摩擦，无间隙，易维护，分辨率高和可一体化加工等优点。柔性铰链连接的精密指向机构在未来的光学系统的精密指向和半导体生产以及空间探测等超精密工程领域具有广泛的需求。
[0004]目前理论上已经有很多种对于柔性铰链的设计方法，但是在实际设计过程中，这些方法仍然遇到很多困难，传统的柔性铰链设计方法主要依赖于设计者的经验来确定柔性铰链的构型，构型都非常简单，通常为不同形状的切口型。此时，柔性铰链的性能很大程度上取决于设计者的经验，这样很难设计出构型复杂、性能优越的柔性铰链。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，提供了一种大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法，通过多目标优化方法针对镜面面形和刚体位移对柔铰结构的参数做优化设计，能够有效提升效率与成本。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：一种大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法，包括：
[0007]步骤1、将典型的椭圆切口柔性铰链轮廓作为初始柔性铰链结构，并在CAD模型中将结构尺寸参数做参数化处理；
[0008]步骤2、建立装配有初始柔性铰链结构的主镜及支撑结构的有限元模型，并将初始柔性铰链结构的结构尺寸参数作为参数变量；
[0009]步骤3、设置多个计算工况，并采用有限元求解器对有限元模型进行求解计算，得到柔性铰链结构的变形、应力以及主镜表面的节点位移数据；
[0010]步骤4、将节点位移数据作为输入，通过数值拟合软件将输入数据拟合成镜面Zernike系数以及主镜刚体位移与面形RMS值；
[0011]步骤5、将步骤1
‑
步骤4集成为自动化工作流，采用多目标优化算法将柔性铰链的结构参数变量组合作为输入样本，并设定每个变量的上下限值以及迭代时尺寸变化步长，通过集成自动化仿真计算流程求解柔铰应力，主镜刚体位移与面形RMS值的响应作为输出
样本；利用得到的样本集构建柔性铰链结构设计变量、应力、主镜位移和变形响应的数学替代模型；
[0012]步骤6、基于多目标优化算法迭代更新柔性铰链结构参数变量，并设定变量的约束条件，不断选择新的变量组合代入数学替代模型计算目标值，直到达到最大迭代次数，对所有的响应输出目标值进行评价，选出最优的结构参数目标值作为柔铰结构的尺寸参数。
[0013]进一步的，所述步骤1中初始柔性铰链结构为：在柔性结构上对称的设计两组相互正交的椭圆形切口。
[0014]进一步的，所述步骤1中，结构尺寸参数包括：
[0015]初始柔性铰链结构竖直方向上的切口尺寸与位置参数包括：长轴a1、短轴b1、平面切口高度c1、切口位置L1、厚度h1、柔性铰链内部倾斜夹角k；
[0016]初始柔性铰链结构水平方向上的切口尺寸与位置参数包括：长轴a2、短轴b2、平面切口高度c2、切口位置L2、厚度h2；
[0017]柔性铰链为对称结构，两侧的切口尺寸与位置参数采用统一参数。
[0018]进一步的，所述步骤3中，工况包含对主镜面形较为关注的工况，包括重力变形工况和热变形工况。
[0019]进一步的，所述步骤5中，迭代时尺寸变化步长为0.5mm，角度变化步长为5
°
。
[0020]进一步的，所述步骤6中，约束条件包括结构尺寸约束与柔性铰链应力约束；其中结构尺寸约束包括：b1+c1<h1，a1/2<L1；b2+c2<h2，a2/2<L2；柔性铰链应力值小于20Mpa。
[0021]进一步的，所述步骤6中，评价方法为：将主镜刚体位移和面形RMS根据对成像影响的大小权重做加权处理并将其作为评价函数，对所有的响应输出目标值进行评价。
[0022]进一步的，所述重力变形工况包括倾角为0
°
、15
°
、30
°
的重力变形工况。
[0023]进一步的，所述热变形工况包括高温60℃和低温30℃的热变形工况。
[0024]与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
[0025]1.本专利技术采用计算机自动优化技术，较常见的手动修改结构参数和仿真拟合，具有更快捷更精确的优点，大大节省了计算时间和人力成本。
[0026]2.本专利技术基于镜面的面形以及刚体位移来迭代优化柔铰参数，比传统的针对变形和应力做优化具有更直接贴合光学机械的优势。
[0027]3.本专利技术在优化中同时考虑了多种工作工况，包含不同角度重力以及热变形，能更准确更全面的反映结构的工作状态，从而得到更好的优化结果。
附图说明
[0028]图1为本专利技术提出的设计方法流程图。
[0029]图2为本专利技术一实施例中柔性铰链竖直方向结构示意图。
[0030]图3为本专利技术一实施例中柔性铰链水平方向结构示意图。
[0031]图4为本专利技术一实施例中柔性铰链安装示意图。
具体实施方式
[0032]下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0033]为了设计出构型复杂、性能优越的柔性铰链，本实施例提出了一种基于多目标优化方法的柔性铰链的设计方法，能够具有更快捷更精确的优点，同时在设计过程中考虑了多种工作工况，包含不同角度重力以及热变形，能更准确更全面的反映结构的工作状态，得到更好的优化结果。具体方案如下：
[0034]如图1所示，一种大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法，包括：
[0035]步骤1、将典型的椭圆切口柔性铰链轮廓作为初始柔性铰链结构，并在CAD模型中将结构尺寸参数做参数化处理；
[0036]步骤2、建立装配有初始柔性铰链结构的主镜及支撑结构的有限元模型，并将初始柔性铰链结构的结构尺寸参数作为参数变量；
[0037]步骤3、设置多个计算工况，并采用有限元求解器对有限元模型进行求解计算，得到柔性铰链结构的变形、应力以及主镜表面的节点位移数据；
[0038]步骤4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法，其特征在于，包括：步骤1、将典型的椭圆切口柔性铰链轮廓作为初始柔性铰链结构，并在CAD模型中将结构尺寸参数做参数化处理；步骤2、建立装配有初始柔性铰链结构的主镜及支撑结构的有限元模型，并将初始柔性铰链结构的结构尺寸参数作为参数变量；步骤3、设置多个计算工况，并采用有限元求解器对有限元模型进行求解计算，得到柔性铰链结构的变形、应力以及主镜表面的节点位移数据；步骤4、将节点位移数据作为输入，通过数值拟合软件将输入数据拟合成镜面Zernike系数以及主镜刚体位移与面形RMS值；步骤5、将步骤1
‑
步骤4集成为自动化工作流，采用多目标优化算法将柔性铰链的结构参数变量组合作为输入样本，并设定每个变量的上下限值以及迭代时尺寸变化步长，通过集成自动化仿真计算流程求解柔铰应力，主镜刚体位移与面形RMS值的响应作为输出样本；利用得到的样本集构建柔性铰链结构设计变量、应力、主镜位移和变形响应的数学替代模型；步骤6、基于多目标优化算法迭代更新柔性铰链结构参数变量，并设定变量的约束条件，不断选择新的变量组合代入数学替代模型计算目标值，直到达到最大迭代次数，对所有的响应输出目标值进行评价，选出最优的结构参数目标值作为柔铰结构的尺寸参数。2.根据权利要求1所述的大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法，其特征在于，所述步骤1中，初始柔性铰链结构为：在柔性结构上对称的设计两组相互正交的椭圆形切口。3.根据权利要求2所述的大口径光学望远镜支撑柔性铰链的设计方法，其特征在于，所述步骤1中，结构尺寸参数包括：初始柔性铰链结构竖直方向上的切口尺寸与位置参数包括：长轴a1、短轴b1、平面切口高度c1...

【专利技术属性】
技术研发人员：武春风，王贝壳，郑昌盛，曾书琴，朱彦，胡丛林，
申请(专利权)人：航天科工微电子系统研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：