[发明专利]轻型反射镜的超轻化优化设计方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的有益效果：

本发明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。

本发明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为本发明所述的轻型反射镜的超轻化优化设计方法流程图；

图2为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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；