大口徑光學望遠鏡四通結構的設計方法及得到的四通結構的制作方法
【專利摘要】大口徑光學望遠鏡四通結構的設計方法及得到的四通結構，涉及機械行業(yè)光電儀器領域，解決了現有四通結構的設計方法存在的產品設計周期長且結構輕量化率低的問題。該方法為：構建四通結構初始化幾何模型，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、內筋板和內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構。得到的四通結構最大變形量為0.0698mm，小于設計最大變形0.08mm，質量由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構的設計方法及得到的四通結構

【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 構的設計方法及得到的四通結構。

【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，現有的跟蹤架趨于笨重， 成本較高，且難于控制。
[0003] 四通結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。現有四通結構的設計方法如圖1所示：首先根據經驗類 比構型得到初步構型，接著經過有限元（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構。利用上述方法獲得的四通結構在很大 程度上受限于初始的經驗類比構型，性能約束只能通過被動校核與再設計的往復循環(huán)，產 品設計周期長，且結構輕量化率低。


【發(fā)明內容】

[0004] 為了解決現有四通結構的設計方法存在的產品設計周期長且結構輕量化率低的 問題，本發(fā)明提供一種通過拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化實現的一種大口徑光學望遠鏡四通結構的 設計方法及得到的四通結構。
[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構的設計方法，該方法通過以下步驟實現：
[0007] 步驟一、構建四通結構的初始化幾何模型
[0008] 根據設計和裝配要求，確定四通結構的外形參數，構建優(yōu)化前的四通結構初始化 幾何模型；
[0009] 步驟二、構建四通結構的有限元仿真模型
[0010] 采用有限元方法對四通結構初始化幾何模型進行離散，根據實際工況確定載荷條 件和邊界約束條件，構建四通結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，以四通結構的材料分布為優(yōu)化設計變量，以降低四通結構的質量為優(yōu)化目標，采用拓撲 優(yōu)化方法對四通結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] 根據拓撲優(yōu)化結果對步驟三中得到的四通結構進行外殼板、內筋板和內圈板的分 布設計，并分別確定外殼板、內筋板和內圈板的初始厚度；
[0015] 步驟五、構建優(yōu)化結果模型
[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、內筋板和 內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構進行再減重尺寸優(yōu)化設 計，得到經過初步尺寸優(yōu)化設計的四通結構；
[0017] 步驟六、剛度性能分析校核
[0018] 對步驟五中得到的四通結構進行剛度性能校核，根據校核結果對四通結構的結構 參數進行調整，獲得滿足性能約束的輕量化四通結構。
[0019] 步驟二中構建的四通結構有限元仿真模型為實體單元模型，單元數為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，所述內筋板的初始厚度T2為8mm， 所述內圈板的初始厚度T3為10mm。
[0021] 采用上述的大口徑光學望遠鏡四通結構的設計方法設計得到的四通結構，該四通 結構為多面體結構，包括外殼板、多塊內筋板、內圈板、兩個安裝孔和兩個通光孔；所述外殼 板由側面板、上面板和下面板組成；所述側面板由八塊長方形板組成,上面板和下面板的結 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邊緣為圓形；所述內 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構上；多塊內筋板均勻分布在四通結構內部。
[0022] 所述內筋板為七十六塊，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，連接外殼板的側面板和內圈板；所述堅置筋板共 二十四塊，將四通結構分為內外兩圈，位于外殼板的側面板和內圈板中間，連接外殼板的上 下面板；所述發(fā)散筋板共二十八塊，以四通結構中心呈輻射方式布置，連接外殼板的上面 板、下面板、側面板和內圈板；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] 該四通結構的最大變形量為0. 0698mm，小于設計最大變形0. 08mm，該四通結構的 質量由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)明與現有技術相比，具有如下明顯的實質特點和顯著進步：
[0026] 1、通過本發(fā)明的大口徑光學望遠鏡四通結構的設計方法設計得到的四通結構除 安裝孔和通光孔位置，其他區(qū)域經過拓撲優(yōu)化，進行的內筋板位置布置，相比現有四通結 構，該設計方法得到的四通結構最大變形量為〇· 0698mm，小于設計最大變形0· 08mm，質量 由122. 217t減至13. 776t，輕量化率達到89%，輕量化率提高，四通結構滿足性能約束的輕 量化要求。
[0027] 2、在結構拓撲優(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，極大減少了現有技術 中設計-校核-再設計-再校核的循環(huán)次數，在滿足結構剛度等性能條件下，縮短產品的設 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、根據該設計方法設計的四通結構可以在保障剛度性能的同時，縮短設計周期， 大幅度減小四通結構的質量，以便于系統(tǒng)運行和控制。

【專利附圖】

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

【具體實施方式】
[0040] 以下結合附圖對本發(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構的設計方法包括以下步驟：
[0042] 步驟一、構建四通結構的初始化幾何模型
[0043] 根據設計和裝配的要求，確定四通結構的外形參數，包括安裝孔4及通光孔5等局 部形狀參數，構建優(yōu)化前的四通結構初始化幾何模型，得到的四通結構的初始化幾何模型 如圖5所示。
[0044] 步驟二、構建四通結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構初始化幾何模型進行離散，根 據實際工況確定載荷條件和邊界約束條件，構建四通結構的有限元仿真模型。如圖6所示， 得到的四通結構有限元仿真模型為實體單元模型，單元數為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,以四通結構的材料分布為優(yōu)化設計變量，以降低四通結構的質量為優(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 結果如圖7所不。
[0048] 步驟四、尺寸優(yōu)化
[0049] 根據步驟三中得到的拓撲優(yōu)化結果，在考慮焊接工藝的前提下，對步驟三中得到 的四通結構進行外殼板1、內筋板2和內圈板3的分布設計，并分別確定外殼板1的初始厚 度Tl= 14mm，內筋板2的初始厚度T2 = 8mm，內圈板3的初始厚度T3 = 10mm。外殼板1、 內筋板2和內圈板3的初始厚度以及內筋板2的排布位置和數目根據設計和裝配的要求以 及拓撲優(yōu)化結果而定。
[0050] 步驟五、構建優(yōu)化結果模型
[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、內筋板2 和內圈板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構進行再減重尺寸優(yōu)化 設計，得到經過初步尺寸優(yōu)化設計的四通結構，尺寸優(yōu)化迭代曲線如圖8所示，結果如下： 外殼板1的厚度Tl= 10mm，內筋板2的厚度T2 = 14mm，內圈板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過初步尺寸優(yōu)化設計的四通結構進行剛度性能校核，根據校 核結果對四通結構的結構參數進行調整，最終獲得滿足性能約束的輕量化四通結構。
[0054] 剛度性能校核結果如圖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，四通結構的質量由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實現四通結構的大幅度減重目的。表 1中A?F六條線表示最終四通結構的各等變形線，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構的設計方法，其特征在于，該方法通過以下步驟實現： 步驟一、構建四通結構的初始化幾何模型 根據設計和裝配要求，確定四通結構的外形參數，構建優(yōu)化前的四通結構初始化幾何 模型； 步驟二、構建四通結構的有限元仿真模型 采用有限元方法對四通結構初始化幾何模型進行離散，根據實際工況確定載荷條件和 邊界約束條件，構建四通結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)，以四通結構的材料分布為優(yōu)化設計變量，以降低四通結構的質量為優(yōu)化目標，采用拓 撲優(yōu)化方法對四通結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 根據拓撲優(yōu)化結果對步驟三中得到的四通結構進行外殼板（1)、內筋板（2)和內圈板 (3)的分布設計，并分別確定外殼板（1)、內筋板（2)和內圈板（3)的初始厚度； 步驟五、構建優(yōu)化結果模型 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)、內筋板（2) 和內圈板（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構進行再減重尺寸優(yōu) 化設計，得到經過初步尺寸優(yōu)化設計的四通結構； 步驟六、剛度性能分析校核 對步驟五中得到的四通結構進行剛度性能校核，根據校核結果對四通結構的結構參數 進行調整，獲得滿足性能約束的輕量化四通結構。
2. 根據權利要求1所述的大口徑光學望遠鏡四通結構的設計方法，其特征在于，步驟 二中構建的四通結構有限元仿真模型為實體單元模型，單元數為19248個，耦合單元為4 個。
3. 根據權利要求1所述的大口徑光學望遠鏡四通結構的設計方法，其特征在于，步驟 四中，所述外殼板（1)的初始厚度Tl為14mm，所述內筋板（2)的初始厚度T2為8mm，所述 內圈板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構的設計方法設計得到的四通結 構，其特征在于，該四通結構為多面體結構，包括外殼板（1)、多塊內筋板（2)、內圈板（3)、 兩個安裝孔（4)和兩個通光孔（5);所述外殼板（1)由側面板、上面板和下面板組成；所述 側面板由八塊長方形板組成，上面板和下面板的結構和尺寸相同，是一種帶有圓形中心孔 的八邊形，上面板和下面板的內邊緣為圓形；所述內圈板（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 置在四通結構上；多塊內筋板（2)均勻分布在四通結構內部。
5. 根據權利要求4所述的采用大口徑光學望遠鏡四通結構的設計方法設計得到的四 通結構，其特征在于，所述內筋板（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)的側面板和內圈板（3);所述堅置筋板（22)共二十四塊，將四通 結構分為內外兩圈，位于外殼板（1)的側面板和內圈板（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，以四通結構中心呈輻射方式布置，連接外殼板（1)的上 面板、下面板、側面板和內圈板（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.根據權利要求4所述的采用大口徑光學望遠鏡四通結構的設計方法設計得到的四 通結構，其特征在于，該四通結構的最大變形量為〇. 〇698mm，小于設計最大變形0. 08mm，該 四通結構的質量由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