大口径光学望远镜四通结构的设计方法及得到的四通结构的制作方法
【专利摘要】大口径光学望远镜四通结构的设计方法及得到的四通结构，涉及机械行业光电仪器领域，解决了现有四通结构的设计方法存在的产品设计周期长且结构轻量化率低的问题。该方法为：构建四通结构初始化几何模型，采用有限元方法对其进行离散构建有限元仿真模型，在满足位移变形的优化约束条件下以四通材料分布为优化设计变量，以降低四通质量为优化目标，采用拓扑优化方法对有限元仿真模型进行减重优化，对外壳板、内筋板和内圈板进行分布设计并确定其初始厚度，以初始厚度为优化设计变量进行再减重优化，进行刚度性能分析校核获得满足性能约束的轻量化四通结构。得到的四通结构最大变形量为0.0698mm，小于设计最大变形0.08mm，质量由122.217t减至13.776t，轻量化率达到89％。
【专利说明】大口径光学望远镜四通结构的设计方法及得到的四通结构
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械行业光电仪器【技术领域】，具体涉及一种大口径光学望远镜四通结 构的设计方法及得到的四通结构。
【背景技术】
[0002] 大口径光学望远镜是对宇宙深空目标探测的重要技术手段之一，对大视场和高分 辨率的追求，使得望远镜口径越来越大，跟踪架的尺寸随之增大，现有的跟踪架趋于笨重， 成本较高，且难于控制。
[0003] 四通结构作为跟踪架的重要支撑部件，承载着主镜室和次镜室组件，其减重设计 对整个望远镜系统有着重要意义。现有四通结构的设计方法如图1所示：首先根据经验类 比构型得到初步构型，接着经过有限元（FEA)仿真性能校核与局部筋板布置的循环，再通 过进一步的优化设计最终得到满足要求的四通结构。利用上述方法获得的四通结构在很大 程度上受限于初始的经验类比构型，性能约束只能通过被动校核与再设计的往复循环，产 品设计周期长，且结构轻量化率低。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有四通结构的设计方法存在的产品设计周期长且结构轻量化率低的 问题，本发明提供一种通过拓扑优化和尺寸优化实现的一种大口径光学望远镜四通结构的 设计方法及得到的四通结构。
[0005] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0006] 本发明的大口径光学望远镜四通结构的设计方法，该方法通过以下步骤实现：
[0007] 步骤一、构建四通结构的初始化几何模型
[0008] 根据设计和装配要求，确定四通结构的外形参数，构建优化前的四通结构初始化 几何模型；
[0009] 步骤二、构建四通结构的有限元仿真模型
[0010] 采用有限元方法对四通结构初始化几何模型进行离散，根据实际工况确定载荷条 件和边界约束条件，构建四通结构的有限元仿真模型；
[0011] 步骤三、拓扑优化
[0012] 在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U〈0. 08mm，保留安装孔和通光 孔，以四通结构的材料分布为优化设计变量，以降低四通结构的质量为优化目标，采用拓扑 优化方法对四通结构有限元仿真模型进行减重拓扑优化设计；
[0013] 步骤四、尺寸优化
[0014] 根据拓扑优化结果对步骤三中得到的四通结构进行外壳板、内筋板和内圈板的分 布设计，并分别确定外壳板、内筋板和内圈板的初始厚度；
[0015] 步骤五、构建优化结果模型
[0016] 在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U〈0. 08mm，以外壳板、内筋板和 内圈板的初始厚度为优化设计变量，对步骤四中得到的四通结构进行再减重尺寸优化设 计，得到经过初步尺寸优化设计的四通结构；
[0017] 步骤六、刚度性能分析校核
[0018] 对步骤五中得到的四通结构进行刚度性能校核，根据校核结果对四通结构的结构 参数进行调整，获得满足性能约束的轻量化四通结构。
[0019] 步骤二中构建的四通结构有限元仿真模型为实体单元模型，单元数为19248个， 耦合单元为4个。
[0020] 步骤四中，所述外壳板的初始厚度Tl为14mm，所述内筋板的初始厚度T2为8mm， 所述内圈板的初始厚度T3为10mm。
[0021] 采用上述的大口径光学望远镜四通结构的设计方法设计得到的四通结构，该四通 结构为多面体结构，包括外壳板、多块内筋板、内圈板、两个安装孔和两个通光孔；所述外壳 板由侧面板、上面板和下面板组成；所述侧面板由八块长方形板组成,上面板和下面板的结 构和尺寸相同，是一种带有圆形中心孔的八边形，上面板和下面板的内边缘为圆形；所述内 圈板为一个圆柱形板，其上下边缘分别与外壳板的上下面板内边缘相接；两个安装孔和两 个通光孔间隔均匀设置在四通结构上；多块内筋板均匀分布在四通结构内部。
[0022] 所述内筋板为七十六块，按布置方式分为横置筋板、坚置筋板、发散筋板和局部筋 板；所述横置筋板共两层八块，将四通结构分为三层，每层横置筋板在安装孔和通光孔处 断开，共四块，平行于外壳板的上下面板，连接外壳板的侧面板和内圈板；所述坚置筋板共 二十四块，将四通结构分为内外两圈，位于外壳板的侧面板和内圈板中间，连接外壳板的上 下面板；所述发散筋板共二十八块，以四通结构中心呈辐射方式布置，连接外壳板的上面 板、下面板、侧面板和内圈板；所述局部筋板共十六块，靠近通光孔和安装孔，每个孔处布置 四块，连接外壳板和横置筋板；所述横置筋板、坚置筋板、发散筋板均为长方形。
[0023] 该四通结构的最大变形量为0. 0698mm，小于设计最大变形0. 08mm，该四通结构的 质量由122. 217t减至13. 776t，轻量化率达到89%。
[0024]本发明的有益效果是：
[0025] 本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著进步：
[0026] 1、通过本发明的大口径光学望远镜四通结构的设计方法设计得到的四通结构除 安装孔和通光孔位置，其他区域经过拓扑优化，进行的内筋板位置布置，相比现有四通结 构，该设计方法得到的四通结构最大变形量为〇· 0698mm，小于设计最大变形0· 08mm，质量 由122. 217t减至13. 776t，轻量化率达到89%，轻量化率提高，四通结构满足性能约束的轻 量化要求。
[0027] 2、在结构拓扑优化的基础上进行板厚的尺寸优化，可以得到最优概念构型下的最 优详细方案。
[0028] 3、在校核性能之前，主动将位移等刚度约束作为优化约束，极大减少了现有技术 中设计-校核-再设计-再校核的循环次数，在满足结构刚度等性能条件下，缩短产品的设 计周期，尤其是要求的性能约束条件越多，该设计方法的优势越明显。
[0029] 4、根据该设计方法设计的四通结构可以在保障刚度性能的同时，缩短设计周期， 大幅度减小四通结构的质量，以便于系统运行和控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1为现有四通结构的设计方法的流程图。
[0031] 图2为本发明的大口径光学望远镜四通结构的设计方法的流程图。
[0032] 图3为本发明得到的四通结构的1/8模型图。
[0033] 图4为本发明得到的四通结构的1/2模型图。
[0034] 图5为本发明中的四通结构的初始化几何模型图。
[0035] 图6为本发明中的四通结构的有限元仿真模型图。
[0036] 图7为四通结构拓扑优化结果图。
[0037] 图8为四通结构尺寸优化迭代历程图。
[0038] 图9为本发明得到的最终四通结构的等变形线云图。
[0039]图中：1、外壳板，2、内筋板，21、横置筋板，22、坚置筋板，23、发散筋板，24、局部筋 板，3、内圈板，4、安装孔，5、通光孔。
【具体实施方式】
[0040] 以下结合附图对本发明作作进一步详细说明。
[0041] 如图2所示，本发明的大口径光学望远镜四通结构的设计方法包括以下步骤：
[0042] 步骤一、构建四通结构的初始化几何模型
[0043] 根据设计和装配的要求，确定四通结构的外形参数，包括安装孔4及通光孔5等局 部形状参数，构建优化前的四通结构初始化几何模型，得到的四通结构的初始化几何模型 如图5所示。
[0044] 步骤二、构建四通结构的有限元仿真模型
[0045] 采用有限元方法（FEA)对步骤一中得到的四通结构初始化几何模型进行离散，根 据实际工况确定载荷条件和边界约束条件，构建四通结构的有限元仿真模型。如图6所示， 得到的四通结构有限元仿真模型为实体单元模型，单元数为19248个，耦合单元为4个。
[0046] 步骤三、拓扑优化
[0047] 在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U〈0. 08mm，保留安装孔4和通光 孔5,以四通结构的材料分布为优化设计变量，以降低四通结构的质量为优化目标，采用拓 扑优化方法对步骤二中得到的四通结构有限元仿真模型进行减重拓扑优化设计，拓扑优化 结果如图7所不。
[0048] 步骤四、尺寸优化
[0049] 根据步骤三中得到的拓扑优化结果，在考虑焊接工艺的前提下，对步骤三中得到 的四通结构进行外壳板1、内筋板2和内圈板3的分布设计，并分别确定外壳板1的初始厚 度Tl= 14mm，内筋板2的初始厚度T2 = 8mm，内圈板3的初始厚度T3 = 10mm。外壳板1、 内筋板2和内圈板3的初始厚度以及内筋板2的排布位置和数目根据设计和装配的要求以 及拓扑优化结果而定。
[0050] 步骤五、构建优化结果模型
[0051]在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U〈0. 08mm，以外壳板1、内筋板2 和内圈板3的初始厚度为优化设计变量，对步骤四中得到的四通结构进行再减重尺寸优化 设计，得到经过初步尺寸优化设计的四通结构，尺寸优化迭代曲线如图8所示，结果如下： 外壳板1的厚度Tl= 10mm，内筋板2的厚度T2 = 14mm，内圈板3的厚度T3 = 11mm。
[0052] 步骤六、刚度性能分析校核
[0053] 对步骤五中得到的经过初步尺寸优化设计的四通结构进行刚度性能校核，根据校 核结果对四通结构的结构参数进行调整，最终获得满足性能约束的轻量化四通结构。
[0054] 刚度性能校核结果如图9和表1所示，最大变形量为0. 0698mm，小于设计最大变 形0. 08mm，同时，四通结构的质量由122. 217t减至13. 776t，轻量化率达到89%，即在满足 位移变形的优化约束条件下即最大变形量U〈0. 08mm实现四通结构的大幅度减重目的。表 1中A?F六条线表示最终四通结构的各等变形线，a?f表示各等变形线A?F六条线附 近节点。
[0055]表1、最终四通结构的各等变形线（A?F六条线）附近节点（a?f)的位移变形 值
[0056]
【权利要求】
1. 大口径光学望远镜四通结构的设计方法，其特征在于，该方法通过以下步骤实现： 步骤一、构建四通结构的初始化几何模型 根据设计和装配要求，确定四通结构的外形参数，构建优化前的四通结构初始化几何 模型； 步骤二、构建四通结构的有限元仿真模型 采用有限元方法对四通结构初始化几何模型进行离散，根据实际工况确定载荷条件和 边界约束条件，构建四通结构的有限元仿真模型； 步骤三、拓扑优化 在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量u〈0. 08mm，保留安装孔（4)和通光孔 (5)，以四通结构的材料分布为优化设计变量，以降低四通结构的质量为优化目标，采用拓 扑优化方法对四通结构有限元仿真模型进行减重拓扑优化设计； 步骤四、尺寸优化 根据拓扑优化结果对步骤三中得到的四通结构进行外壳板（1)、内筋板（2)和内圈板 (3)的分布设计，并分别确定外壳板（1)、内筋板（2)和内圈板（3)的初始厚度； 步骤五、构建优化结果模型 在满足位移变形的优化约束条件下即最大变形量U〈0. 08mm，以外壳板（1)、内筋板（2) 和内圈板（3)的初始厚度为优化设计变量，对步骤四中得到的四通结构进行再减重尺寸优 化设计，得到经过初步尺寸优化设计的四通结构； 步骤六、刚度性能分析校核 对步骤五中得到的四通结构进行刚度性能校核，根据校核结果对四通结构的结构参数 进行调整，获得满足性能约束的轻量化四通结构。
2. 根据权利要求1所述的大口径光学望远镜四通结构的设计方法，其特征在于，步骤 二中构建的四通结构有限元仿真模型为实体单元模型，单元数为19248个，耦合单元为4 个。
3. 根据权利要求1所述的大口径光学望远镜四通结构的设计方法，其特征在于，步骤 四中，所述外壳板（1)的初始厚度Tl为14mm，所述内筋板（2)的初始厚度T2为8mm，所述 内圈板⑶的初始厚度T3为10mm。
4. 采用权利要求1所述的大口径光学望远镜四通结构的设计方法设计得到的四通结 构，其特征在于，该四通结构为多面体结构，包括外壳板（1)、多块内筋板（2)、内圈板（3)、 两个安装孔（4)和两个通光孔（5);所述外壳板（1)由侧面板、上面板和下面板组成；所述 侧面板由八块长方形板组成，上面板和下面板的结构和尺寸相同，是一种带有圆形中心孔 的八边形，上面板和下面板的内边缘为圆形；所述内圈板（3)为一个圆柱形板，其上下边缘 分别与外壳板（1)的上下面板内边缘相接；两个安装孔（4)和两个通光孔（5)间隔均匀设 置在四通结构上；多块内筋板（2)均匀分布在四通结构内部。
5. 根据权利要求4所述的采用大口径光学望远镜四通结构的设计方法设计得到的四 通结构，其特征在于，所述内筋板（2)为七十六块，按布置方式分为横置筋板（21)、坚置筋 板（22)、发散筋板（23)和局部筋板（24);所述横置筋板（21)共两层八块，将四通结构分为 三层，每层横置筋板（21)在安装孔（4)和通光孔（5)处断开，共四块，平行于外壳板（1)的 上下面板，连接外壳板（1)的侧面板和内圈板（3);所述坚置筋板（22)共二十四块，将四通 结构分为内外两圈，位于外壳板（1)的侧面板和内圈板（3)中间，连接外壳板（1)的上下面 板；所述发散筋板（23)共二十八块，以四通结构中心呈辐射方式布置，连接外壳板（1)的上 面板、下面板、侧面板和内圈板（3);所述局部筋板（24)共十六块，靠近通光孔（4)和安装 孔（5)，每个孔处布置四块，连接外壳板⑴和横置筋板（21);所述横置筋板（21)、坚置筋 板（22)、发散筋板（23)均为长方形。
6.根据权利要求4所述的采用大口径光学望远镜四通结构的设计方法设计得到的四 通结构，其特征在于，该四通结构的最大变形量为〇. 〇698mm，小于设计最大变形0. 08mm，该 四通结构的质量由122. 217t减至13. 776t，轻量化率达到89%。
【文档编号】G06F17/50GK104318037SQ201410636759
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】付世欣, 范磊, 曹玉岩, 王志臣, 王志 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所