多镜筒望远镜中间块结构的设计与优化

NIAOT OpenIR > 学位论文

	多镜筒望远镜中间块结构的设计与优化
	林佳杰
学位类型	硕士
导师	王国民
	2017-05
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位专业	理学硕士
关键词	引力波探测望远镜中间块多镜筒望远镜结构优化设计拓扑优化
摘要	为了实现对北天区原初引力波的探测，我国计划在西藏阿里地区建设一台小口径高灵敏度CMB望远镜，从而能与美国合作实现全天区原初引力波探测。阿里计划中的CMB望远镜需要拓宽观测频段5倍。为了提高观测效率和制造成本，项目提出的CMB望远镜具有5个镜筒，每个镜筒用于观测不同的频段，5个镜筒平行安装在望远镜中间块上。本文的重点在于对望远镜中间块的结构设计与优化研究。首先，将连接镜筒与中间块之间的角接触轴承简化成弹簧。计算中间块与镜筒之间角接触轴承仅在轴向预紧力作用下的轴向刚度，根据计算得到的轴承刚度，将轴承刚度等效表示成弹簧刚度。在ANSYS Workbench中，用梁单元实现弹簧连接。其次，为了保证每个镜筒的精度和稳定性满足需求，本文借助有限元软件ANSYS Workbench，对支承5个镜筒的中间块结构进行了拓扑优化，得到有最佳传力路径的模型。根据拓扑优化得到的模型，设计了四种中间块结构。在质量一定的约束条件下，以最大总体变形为目标函数，对四种结构进行尺寸优化，得到各自最优结构参数。从结构强度，刚度，镜筒倾斜量大小，一阶自振频率等参数评价四种结构，得出结构D为最优结构类型。然后，在考虑高度轴大齿轮质量的条件下，对结构D进行轻量化设计。以中间块总体变形小于0.04mm，镜筒1、2、3、4倾斜量的平均值小于5角秒为约束条件，求使中间块总质量最小的各尺寸参数值。分析轻量化设计后的结构的前十阶模态，以及不同位姿下的刚度强度及各镜筒的倾斜量。最后，在轻量化设计结果的基础上，对结构进行了对称性设计，得到中间块结构的最终设计的结构形式及其尺寸参数。对称性设计的目的在于，使镜筒倾斜量成对称分布，以方便误差补偿。分析了对称性设计之后的结果，结果表明：1) 在整体重力作用下，镜筒方向在0°，45°，90°的位置最大倾斜量分别为4.85″，3.43″，0.01″；2) 镜筒方向在0°，45°，90°的位置两侧镜筒倾斜量之差分别为0.0015″，0.0005″，0.0061″，镜筒方向满足对称性要求；3) 结构一阶自振频率为58.09Hz。计算结果表明所设计的多镜筒中间块各项指标满足探测望远镜的指标要求。
学科领域	天文技术与方法
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.niaot.ac.cn/handle/114a32/1399
专题	学位论文
作者单位	南京天文光学技术研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	林佳杰. 多镜筒望远镜中间块结构的设计与优化[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.