付慧 唐園亮 毛力奮 蔣光南 王普勇 原力
摘要:文中通過對高空薄膜相機進(jìn)行有限元計算,獲得在初始設(shè)計變量條件下薄膜相機的變形量,并以此作為在EMT優(yōu)化平臺中的初始數(shù)據(jù),采用超拉丁方程計算,以薄膜相機的最大變形量為目標(biāo)函數(shù),以彈性模量與薄膜材料厚度為約束條件,對薄膜相機進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,得到多組優(yōu)化方案,為設(shè)計人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計提供7有用的信息及多種設(shè)計方案的選擇。
關(guān)鍵詞:薄膜相機 EMT平臺 有限元分析 參數(shù)優(yōu)化
引言
為解決傳統(tǒng)反射式空間光學(xué)系統(tǒng)在口徑增大時面臨的重量和拼接精度要求高的難題,提出了將微結(jié)構(gòu)亞波長光學(xué)元件應(yīng)用于空間光學(xué)成像系統(tǒng)中。使用透射的微結(jié)構(gòu)亞波長光學(xué)元件作為空間光學(xué)系統(tǒng)的主鏡以及其它光學(xué)元件有兩個特有的優(yōu)勢,可以同時克服反射系統(tǒng)所遇到的困難寬松的面形公羞重量輕、結(jié)構(gòu)靈活,便于運輸和部署。
1薄膜相機模型及工況
l.1材料屬性
薄膜相機結(jié)構(gòu)有兩種材料,包括亞克力(薄膜鏡面材料)和鋁合金(框架材料)。如表1所示為薄膜材料和鋁合金材料的參數(shù)。
1.2薄膜相機模型參數(shù)
薄膜相機結(jié)構(gòu):薄膜相機由薄膜和框架組成:薄膜相機的CAD模型如圖l所示,薄膜厚0.5mm,直徑440mm;框架厚度20mm,內(nèi)徑400mm,外徑440mm。薄膜與框架的接觸部分采用的是環(huán)向粘接裝配。
1.3薄膜相機工況及要求
研究薄膜相機的載荷工況是:在相機水平放置時只考慮重力作用下薄膜相機的變形情況。
·重力作用下的變形
·透鏡水平放置
鏡頭成像要求:薄膜相機在受重力載荷時,會產(chǎn)生變形量,最大變形量在薄膜鏡片上,但是為了滿足相機視場、焦距等要求,薄膜鏡片的變形量為:
變形量≤2.5mm
影響薄膜鏡片性能的因素有很多,如:彈性模量、材料密度、薄膜材料厚度等等,此處考慮薄膜密度不變,只考慮彈性模量與薄膜材料厚度對變形量的影響。
2模型參數(shù)優(yōu)化及方案對比
2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型
基于高空薄膜相機的工作要求,建立如下的數(shù)學(xué)模型。
目標(biāo)函數(shù):
f(x)≤2.5
約束條件:
4000≤g(x)≤6000
0.4≤h(x)≤0.6
其中f(x)為最大變形量(單位mm)g(x)為彈性模量:單位MPal單位mm),h(x)為薄膜材料厚度(單位mm)。
o.o優(yōu)化流程
首先將初始數(shù)據(jù)輸入EMT平臺中,在集成的CAD軟件中建模,之后將建立好的模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分求解器中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到CAE模型并在EMT平臺集成的有限元軟件中進(jìn)行仿真分析,得到初始輸入?yún)?shù)下薄膜相機結(jié)構(gòu)的最大變形量,然后將仿真結(jié)果導(dǎo)入優(yōu)化模塊中進(jìn)行優(yōu)化計算,再以優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行循環(huán)計算。
2.3優(yōu)化結(jié)論
設(shè)定20種優(yōu)化方案,得到如表2所示的優(yōu)化方案。
要考慮高空材料對重量和材料屬性的要求,最終選擇第14組數(shù)據(jù),確定的最優(yōu)化參數(shù):薄膜材料厚度為0.5mm,彈性模量為5052.5MPa,對應(yīng)的薄膜最大變形量為2.2mm。
本文針對高空薄膜相機的初步設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深一步的輕量化優(yōu)化研究,給薄膜相機的輕量化工作作了很好的探索。研究中,首先對薄膜和框架結(jié)構(gòu)形式作了重新考慮,選用了亞克力作為基材進(jìn)行制作,降低了薄膜相機的重量;然后利用EMT技術(shù)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)尺寸,以改善薄膜變形;最后,通過比較得到了薄膜相機的最優(yōu)化設(shè)計方案。該方案兼具經(jīng)濟、適用的優(yōu)點,滿足設(shè)計要求。
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