大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法及得到的四通結(jié)構的制作方法
【專利摘要】大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法及得到的四通結(jié)構，涉及機械行業(yè)光電儀器領域，解決了現(xiàn)有四通結(jié)構的設計方法存在的產(chǎn)品設計周期長且結(jié)構輕量化率低的問題。該方法為：構建四通結(jié)構初始化幾何模型，采用有限元方法對其進行離散構建有限元仿真模型，在滿足位移變形的優(yōu)化約束條件下以四通材料分布為優(yōu)化設計變量，以降低四通質(zhì)量為優(yōu)化目標，采用拓撲優(yōu)化方法對有限元仿真模型進行減重優(yōu)化，對外殼板、內(nèi)筋板和內(nèi)圈板進行分布設計并確定其初始厚度，以初始厚度為優(yōu)化設計變量進行再減重優(yōu)化，進行剛度性能分析校核獲得滿足性能約束的輕量化四通結(jié)構。得到的四通結(jié)構最大變形量為0.0698mm，小于設計最大變形0.08mm，質(zhì)量由122.217t減至13.776t，輕量化率達到89％。
【專利說明】大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法及得到的四通結(jié)構

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機械行業(yè)光電儀器【技術領域】，具體涉及一種大口徑光學望遠鏡四通結(jié) 構的設計方法及得到的四通結(jié)構。

【背景技術】
[0002] 大口徑光學望遠鏡是對宇宙深空目標探測的重要技術手段之一，對大視場和高分 辨率的追求，使得望遠鏡口徑越來越大，跟蹤架的尺寸隨之增大，現(xiàn)有的跟蹤架趨于笨重， 成本較高，且難于控制。
[0003] 四通結(jié)構作為跟蹤架的重要支撐部件，承載著主鏡室和次鏡室組件，其減重設計 對整個望遠鏡系統(tǒng)有著重要意義?，F(xiàn)有四通結(jié)構的設計方法如圖1所示：首先根據(jù)經(jīng)驗類 比構型得到初步構型，接著經(jīng)過有限元（FEA)仿真性能校核與局部筋板布置的循環(huán)，再通 過進一步的優(yōu)化設計最終得到滿足要求的四通結(jié)構。利用上述方法獲得的四通結(jié)構在很大 程度上受限于初始的經(jīng)驗類比構型，性能約束只能通過被動校核與再設計的往復循環(huán)，產(chǎn) 品設計周期長，且結(jié)構輕量化率低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有四通結(jié)構的設計方法存在的產(chǎn)品設計周期長且結(jié)構輕量化率低的 問題，本發(fā)明提供一種通過拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化實現(xiàn)的一種大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的 設計方法及得到的四通結(jié)構。
[0005] 本發(fā)明為解決技術問題所采用的技術方案如下：
[0006] 本發(fā)明的大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法，該方法通過以下步驟實現(xiàn)：
[0007] 步驟一、構建四通結(jié)構的初始化幾何模型
[0008] 根據(jù)設計和裝配要求，確定四通結(jié)構的外形參數(shù)，構建優(yōu)化前的四通結(jié)構初始化 幾何模型；
[0009] 步驟二、構建四通結(jié)構的有限元仿真模型
[0010] 采用有限元方法對四通結(jié)構初始化幾何模型進行離散，根據(jù)實際工況確定載荷條 件和邊界約束條件，構建四通結(jié)構的有限元仿真模型；
[0011] 步驟三、拓撲優(yōu)化
[0012] 在滿足位移變形的優(yōu)化約束條件下即最大變形量U〈0. 08mm，保留安裝孔和通光 孔，以四通結(jié)構的材料分布為優(yōu)化設計變量，以降低四通結(jié)構的質(zhì)量為優(yōu)化目標，采用拓撲 優(yōu)化方法對四通結(jié)構有限元仿真模型進行減重拓撲優(yōu)化設計；
[0013] 步驟四、尺寸優(yōu)化
[0014] 根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果對步驟三中得到的四通結(jié)構進行外殼板、內(nèi)筋板和內(nèi)圈板的分 布設計，并分別確定外殼板、內(nèi)筋板和內(nèi)圈板的初始厚度；
[0015] 步驟五、構建優(yōu)化結(jié)果模型
[0016] 在滿足位移變形的優(yōu)化約束條件下即最大變形量U〈0. 08mm，以外殼板、內(nèi)筋板和 內(nèi)圈板的初始厚度為優(yōu)化設計變量，對步驟四中得到的四通結(jié)構進行再減重尺寸優(yōu)化設 計，得到經(jīng)過初步尺寸優(yōu)化設計的四通結(jié)構；
[0017] 步驟六、剛度性能分析校核
[0018] 對步驟五中得到的四通結(jié)構進行剛度性能校核，根據(jù)校核結(jié)果對四通結(jié)構的結(jié)構 參數(shù)進行調(diào)整，獲得滿足性能約束的輕量化四通結(jié)構。
[0019] 步驟二中構建的四通結(jié)構有限元仿真模型為實體單元模型，單元數(shù)為19248個， 耦合單元為4個。
[0020] 步驟四中，所述外殼板的初始厚度Tl為14mm，所述內(nèi)筋板的初始厚度T2為8mm， 所述內(nèi)圈板的初始厚度T3為10mm。
[0021] 采用上述的大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法設計得到的四通結(jié)構，該四通 結(jié)構為多面體結(jié)構，包括外殼板、多塊內(nèi)筋板、內(nèi)圈板、兩個安裝孔和兩個通光孔；所述外殼 板由側(cè)面板、上面板和下面板組成；所述側(cè)面板由八塊長方形板組成,上面板和下面板的結(jié) 構和尺寸相同，是一種帶有圓形中心孔的八邊形，上面板和下面板的內(nèi)邊緣為圓形；所述內(nèi) 圈板為一個圓柱形板，其上下邊緣分別與外殼板的上下面板內(nèi)邊緣相接；兩個安裝孔和兩 個通光孔間隔均勻設置在四通結(jié)構上；多塊內(nèi)筋板均勻分布在四通結(jié)構內(nèi)部。
[0022] 所述內(nèi)筋板為七十六塊，按布置方式分為橫置筋板、堅置筋板、發(fā)散筋板和局部筋 板；所述橫置筋板共兩層八塊，將四通結(jié)構分為三層，每層橫置筋板在安裝孔和通光孔處 斷開，共四塊，平行于外殼板的上下面板，連接外殼板的側(cè)面板和內(nèi)圈板；所述堅置筋板共 二十四塊，將四通結(jié)構分為內(nèi)外兩圈，位于外殼板的側(cè)面板和內(nèi)圈板中間，連接外殼板的上 下面板；所述發(fā)散筋板共二十八塊，以四通結(jié)構中心呈輻射方式布置，連接外殼板的上面 板、下面板、側(cè)面板和內(nèi)圈板；所述局部筋板共十六塊，靠近通光孔和安裝孔，每個孔處布置 四塊，連接外殼板和橫置筋板；所述橫置筋板、堅置筋板、發(fā)散筋板均為長方形。
[0023] 該四通結(jié)構的最大變形量為0. 0698mm，小于設計最大變形0. 08mm，該四通結(jié)構的 質(zhì)量由122. 217t減至13. 776t，輕量化率達到89%。
[0024]本發(fā)明的有益效果是：
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下明顯的實質(zhì)特點和顯著進步：
[0026] 1、通過本發(fā)明的大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法設計得到的四通結(jié)構除 安裝孔和通光孔位置，其他區(qū)域經(jīng)過拓撲優(yōu)化，進行的內(nèi)筋板位置布置，相比現(xiàn)有四通結(jié) 構，該設計方法得到的四通結(jié)構最大變形量為〇· 0698mm，小于設計最大變形0· 08mm，質(zhì)量 由122. 217t減至13. 776t，輕量化率達到89%，輕量化率提高，四通結(jié)構滿足性能約束的輕 量化要求。
[0027] 2、在結(jié)構拓撲優(yōu)化的基礎上進行板厚的尺寸優(yōu)化，可以得到最優(yōu)概念構型下的最 優(yōu)詳細方案。
[0028] 3、在校核性能之前，主動將位移等剛度約束作為優(yōu)化約束，極大減少了現(xiàn)有技術 中設計-校核-再設計-再校核的循環(huán)次數(shù)，在滿足結(jié)構剛度等性能條件下，縮短產(chǎn)品的設 計周期，尤其是要求的性能約束條件越多，該設計方法的優(yōu)勢越明顯。
[0029] 4、根據(jù)該設計方法設計的四通結(jié)構可以在保障剛度性能的同時，縮短設計周期， 大幅度減小四通結(jié)構的質(zhì)量，以便于系統(tǒng)運行和控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1為現(xiàn)有四通結(jié)構的設計方法的流程圖。
[0031] 圖2為本發(fā)明的大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法的流程圖。
[0032] 圖3為本發(fā)明得到的四通結(jié)構的1/8模型圖。
[0033] 圖4為本發(fā)明得到的四通結(jié)構的1/2模型圖。
[0034] 圖5為本發(fā)明中的四通結(jié)構的初始化幾何模型圖。
[0035] 圖6為本發(fā)明中的四通結(jié)構的有限元仿真模型圖。
[0036] 圖7為四通結(jié)構拓撲優(yōu)化結(jié)果圖。
[0037] 圖8為四通結(jié)構尺寸優(yōu)化迭代歷程圖。
[0038] 圖9為本發(fā)明得到的最終四通結(jié)構的等變形線云圖。
[0039]圖中：1、外殼板，2、內(nèi)筋板，21、橫置筋板，22、堅置筋板，23、發(fā)散筋板，24、局部筋 板，3、內(nèi)圈板，4、安裝孔，5、通光孔。

【具體實施方式】
[0040] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作作進一步詳細說明。
[0041] 如圖2所示，本發(fā)明的大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法包括以下步驟：
[0042] 步驟一、構建四通結(jié)構的初始化幾何模型
[0043] 根據(jù)設計和裝配的要求，確定四通結(jié)構的外形參數(shù)，包括安裝孔4及通光孔5等局 部形狀參數(shù)，構建優(yōu)化前的四通結(jié)構初始化幾何模型，得到的四通結(jié)構的初始化幾何模型 如圖5所示。
[0044] 步驟二、構建四通結(jié)構的有限元仿真模型
[0045] 采用有限元方法（FEA)對步驟一中得到的四通結(jié)構初始化幾何模型進行離散，根 據(jù)實際工況確定載荷條件和邊界約束條件，構建四通結(jié)構的有限元仿真模型。如圖6所示， 得到的四通結(jié)構有限元仿真模型為實體單元模型，單元數(shù)為19248個，耦合單元為4個。
[0046] 步驟三、拓撲優(yōu)化
[0047] 在滿足位移變形的優(yōu)化約束條件下即最大變形量U〈0. 08mm，保留安裝孔4和通光 孔5,以四通結(jié)構的材料分布為優(yōu)化設計變量，以降低四通結(jié)構的質(zhì)量為優(yōu)化目標，采用拓 撲優(yōu)化方法對步驟二中得到的四通結(jié)構有限元仿真模型進行減重拓撲優(yōu)化設計，拓撲優(yōu)化 結(jié)果如圖7所不。
[0048] 步驟四、尺寸優(yōu)化
[0049] 根據(jù)步驟三中得到的拓撲優(yōu)化結(jié)果，在考慮焊接工藝的前提下，對步驟三中得到 的四通結(jié)構進行外殼板1、內(nèi)筋板2和內(nèi)圈板3的分布設計，并分別確定外殼板1的初始厚 度Tl= 14mm，內(nèi)筋板2的初始厚度T2 = 8mm，內(nèi)圈板3的初始厚度T3 = 10mm。外殼板1、 內(nèi)筋板2和內(nèi)圈板3的初始厚度以及內(nèi)筋板2的排布位置和數(shù)目根據(jù)設計和裝配的要求以 及拓撲優(yōu)化結(jié)果而定。
[0050] 步驟五、構建優(yōu)化結(jié)果模型
[0051]在滿足位移變形的優(yōu)化約束條件下即最大變形量U〈0. 08mm，以外殼板1、內(nèi)筋板2 和內(nèi)圈板3的初始厚度為優(yōu)化設計變量，對步驟四中得到的四通結(jié)構進行再減重尺寸優(yōu)化 設計，得到經(jīng)過初步尺寸優(yōu)化設計的四通結(jié)構，尺寸優(yōu)化迭代曲線如圖8所示，結(jié)果如下： 外殼板1的厚度Tl= 10mm，內(nèi)筋板2的厚度T2 = 14mm，內(nèi)圈板3的厚度T3 = 11mm。
[0052] 步驟六、剛度性能分析校核
[0053] 對步驟五中得到的經(jīng)過初步尺寸優(yōu)化設計的四通結(jié)構進行剛度性能校核，根據(jù)校 核結(jié)果對四通結(jié)構的結(jié)構參數(shù)進行調(diào)整，最終獲得滿足性能約束的輕量化四通結(jié)構。
[0054] 剛度性能校核結(jié)果如圖9和表1所示，最大變形量為0. 0698mm，小于設計最大變 形0. 08mm，同時，四通結(jié)構的質(zhì)量由122. 217t減至13. 776t，輕量化率達到89%，即在滿足 位移變形的優(yōu)化約束條件下即最大變形量U〈0. 08mm實現(xiàn)四通結(jié)構的大幅度減重目的。表 1中A?F六條線表示最終四通結(jié)構的各等變形線，a?f表示各等變形線A?F六條線附 近節(jié)點。
[0055]表1、最終四通結(jié)構的各等變形線（A?F六條線）附近節(jié)點（a?f)的位移變形 值
[0056]

【權利要求】
1. 大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法，其特征在于，該方法通過以下步驟實現(xiàn)： 步驟一、構建四通結(jié)構的初始化幾何模型 根據(jù)設計和裝配要求，確定四通結(jié)構的外形參數(shù)，構建優(yōu)化前的四通結(jié)構初始化幾何 模型； 步驟二、構建四通結(jié)構的有限元仿真模型 采用有限元方法對四通結(jié)構初始化幾何模型進行離散，根據(jù)實際工況確定載荷條件和 邊界約束條件，構建四通結(jié)構的有限元仿真模型； 步驟三、拓撲優(yōu)化 在滿足位移變形的優(yōu)化約束條件下即最大變形量u〈0. 08mm，保留安裝孔（4)和通光孔 (5)，以四通結(jié)構的材料分布為優(yōu)化設計變量，以降低四通結(jié)構的質(zhì)量為優(yōu)化目標，采用拓 撲優(yōu)化方法對四通結(jié)構有限元仿真模型進行減重拓撲優(yōu)化設計； 步驟四、尺寸優(yōu)化 根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果對步驟三中得到的四通結(jié)構進行外殼板（1)、內(nèi)筋板（2)和內(nèi)圈板 (3)的分布設計，并分別確定外殼板（1)、內(nèi)筋板（2)和內(nèi)圈板（3)的初始厚度； 步驟五、構建優(yōu)化結(jié)果模型 在滿足位移變形的優(yōu)化約束條件下即最大變形量U〈0. 08mm，以外殼板（1)、內(nèi)筋板（2) 和內(nèi)圈板（3)的初始厚度為優(yōu)化設計變量，對步驟四中得到的四通結(jié)構進行再減重尺寸優(yōu) 化設計，得到經(jīng)過初步尺寸優(yōu)化設計的四通結(jié)構； 步驟六、剛度性能分析校核 對步驟五中得到的四通結(jié)構進行剛度性能校核，根據(jù)校核結(jié)果對四通結(jié)構的結(jié)構參數(shù) 進行調(diào)整，獲得滿足性能約束的輕量化四通結(jié)構。
2. 根據(jù)權利要求1所述的大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法，其特征在于，步驟 二中構建的四通結(jié)構有限元仿真模型為實體單元模型，單元數(shù)為19248個，耦合單元為4 個。
3. 根據(jù)權利要求1所述的大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法，其特征在于，步驟 四中，所述外殼板（1)的初始厚度Tl為14mm，所述內(nèi)筋板（2)的初始厚度T2為8mm，所述 內(nèi)圈板⑶的初始厚度T3為10mm。
4. 采用權利要求1所述的大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法設計得到的四通結(jié) 構，其特征在于，該四通結(jié)構為多面體結(jié)構，包括外殼板（1)、多塊內(nèi)筋板（2)、內(nèi)圈板（3)、 兩個安裝孔（4)和兩個通光孔（5);所述外殼板（1)由側(cè)面板、上面板和下面板組成；所述 側(cè)面板由八塊長方形板組成，上面板和下面板的結(jié)構和尺寸相同，是一種帶有圓形中心孔 的八邊形，上面板和下面板的內(nèi)邊緣為圓形；所述內(nèi)圈板（3)為一個圓柱形板，其上下邊緣 分別與外殼板（1)的上下面板內(nèi)邊緣相接；兩個安裝孔（4)和兩個通光孔（5)間隔均勻設 置在四通結(jié)構上；多塊內(nèi)筋板（2)均勻分布在四通結(jié)構內(nèi)部。
5. 根據(jù)權利要求4所述的采用大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法設計得到的四 通結(jié)構，其特征在于，所述內(nèi)筋板（2)為七十六塊，按布置方式分為橫置筋板（21)、堅置筋 板（22)、發(fā)散筋板（23)和局部筋板（24);所述橫置筋板（21)共兩層八塊，將四通結(jié)構分為 三層，每層橫置筋板（21)在安裝孔（4)和通光孔（5)處斷開，共四塊，平行于外殼板（1)的 上下面板，連接外殼板（1)的側(cè)面板和內(nèi)圈板（3);所述堅置筋板（22)共二十四塊，將四通 結(jié)構分為內(nèi)外兩圈，位于外殼板（1)的側(cè)面板和內(nèi)圈板（3)中間，連接外殼板（1)的上下面 板；所述發(fā)散筋板（23)共二十八塊，以四通結(jié)構中心呈輻射方式布置，連接外殼板（1)的上 面板、下面板、側(cè)面板和內(nèi)圈板（3);所述局部筋板（24)共十六塊，靠近通光孔（4)和安裝 孔（5)，每個孔處布置四塊，連接外殼板⑴和橫置筋板（21);所述橫置筋板（21)、堅置筋 板（22)、發(fā)散筋板（23)均為長方形。
6.根據(jù)權利要求4所述的采用大口徑光學望遠鏡四通結(jié)構的設計方法設計得到的四 通結(jié)構，其特征在于，該四通結(jié)構的最大變形量為〇. 〇698mm，小于設計最大變形0. 08mm，該 四通結(jié)構的質(zhì)量由122. 217t減至13. 776t，輕量化率達到89%。
【文檔編號】G06F17/50GK104318037SQ201410636759
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權日:2014年11月11日
【發(fā)明者】付世欣, 范磊, 曹玉巖, 王志臣, 王志 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所