基于热—结构耦合的光学系统尺寸稳定性分析

【摘要】： 本文结合大型空间光学系统的热环境尺寸稳定性研究工作,阐述了运用光、机、热一体化设计方法对空间光学系统进行热设计的重要性,及其对工程设计工作的指导意义。对光学系统的研究背景以及目前国内外热光机集成分析方法的研究现状做了介绍,阐述了光学系统集成分析的理论,包括热-结构耦合分析的理论和热光学分析的理论。 基于热-结构耦合分析理论,对光学系统进行模型简化和特征提取,利用ANSYS软件建立了光学系统零件级和系统级的有限元模型,包括热分析有限元模型和结构分析有限元模型,计算了各个组件及系统在各种典型温度环境下的温度场和位移场;基于热光学理论基础,将ANSYS的计算结果进行提取,得到镜面的位移输出文件,针对横向和径向温度梯度分布,采用ZERNIKE多项式的拟合原理和方法,拟合出了不同温度梯度分布下前十项ZERNIKE多项式系数;针对温度的整体改变,采用非球面二次曲面方程,对不同温度环境下的主镜和次镜镜面热变形进行了拟合,得到了相应的曲面方程,为进一步的光学分析提供了输入条件,得到了不同温度环境对曲面方程顶点曲率半径的影响程度。依据主镜镜面方程,单独建立二次曲面的有限元模型,设定三定约束形式不变,沿半径方向设定20组约束位置,计算得到了曲面节点位移随约束位置的变化规律,并分析得出对曲面尺寸稳定性影响最小和最大的约束位置以及整个曲面的变形趋势。这些为光学系统的热控提供了分析依据。 目前,光、机、热集成分析方法已经在欧美等许多国家的航天领域得到了较为普遍的使用,我国由于技术和设备等原因,目前在这方面的工作还未大力开展,对于空间光学遥感器系统级的集成分析还有待于深入研究。针对这种情况,本文在这方面进行了尝试,在理论研究和实际应用方面奠定了一定的基础。