大型光学镜筒结构及其优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种大型光学镜筒结构及其优化设计方法，通过将镜筒结构合理划分为优化设计域和不可设计域，并对优化设计域进行拓扑优化；基于拓扑优化结果和工艺制造流程，对优化后镜筒壳体进行精细化设计，分区域进行不均匀加筋处理，根据优化结果的材料密度分布情况确定筋条分布形式和密度，以保证结构刚度，相较于传统依靠设计经验的加筋方法,本发明专利技术的优化设计方法周期短，指向性高，得到的加筋结构工艺实施性强。工艺实施性强。工艺实施性强。

【技术实现步骤摘要】
大型光学镜筒结构及其优化设计方法


[0001]本专利技术涉及光机设备
，尤其涉及一种大型光学镜筒结构及其优化设计方法。

技术介绍

[0002]镜筒是大型光机结构的重要组成部件，用于安放光学镜片等组件以及实现镜头的运动和跟踪功能。光机设备整体精度要求极高，而机械结构和控制技术是其精度的决定性因素，二者关系紧密，不可分割。为保证设备的光学精度和控制精度，需要提高设备固有频率等性能指标，同时还需要减轻设备质量，降低平台承载。
[0003]现有技术中，公开号为CN104318037A的专利公开了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，通过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。然而，上述技术方案采用均匀加筋方案开展尺寸优化设计，未能有效利用拓扑优化的计算结果作为指导，设计效率较低；同时均匀加筋方案对于复杂的结构适用性较差。
[0004]有鉴于此，有必要设计一种大型光学镜筒结构及其优化设计方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种以拓扑优化构型为指导进行分区不均匀加筋设计，有效缩短设计周期并提高设备的性能和可靠性，获得高刚度的轻量化结构的大型光学镜筒结构及其优化设计方法。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种大型光学镜筒结构优化设计方法，包括如下步骤：
[0007]S1、建立初始结构模型：根据光学镜筒功能需求和连接形式，建立镜筒结构初始CAD模型，并对结构参数进行测量；
[0008]S2、建立力学分析模型：划分有限元网格，使用质量点来替代镜片和附加设备并与结构刚性耦合，根据结构实际工作环境，设置第一约束条件，开展模态分析；针对有限元模型划分拓扑优化设计域和不可设计域；
[0009]S3、拓扑优化：以结构质量最小为优化目标，对步骤S2的所述拓扑优化设计域设置第二约束条件，采用变密度法进行拓扑优化设计，获得最优解，得到第一结构；
[0010]S4、精细化建模及加筋布置参数优化：基于工艺制造流程，对步骤S3的所述第一结构进行精细化设计，分区域进行不均匀加筋处理，以筋条厚度、间隔作为优化变量，结构质量最小作为优化目标，设置第三约束条件，开展参数优化设计获得最优解，得到第二结构；
[0011]S5、结构刚度校核：对步骤S4得到的第二结构进行结构刚度校核，根据校核结果对所述第二结构的结构参数进行调整，获得满足高刚度的轻量化镜筒结构。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中，所述第三约束条件为所述镜筒结构一阶固有频率不小于与所述镜筒相连的光学设备的工作频率，静载条件下镜片安装面变形不大于光学指向精度要求。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，步骤S2中，所述第二约束条件为所述镜筒结构的前三阶固有频率不小于与所述镜筒相连的光学设备的工作频率，所述拓扑优化设计域体积分数不小于25％，对所述拓扑优化设计域设置拔模约束和最小尺寸约束。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，所述第一约束条件为驱动电机端轴承约束所有自由度，自由端轴承放开轴向平移和转动自由度。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，所述不可设计域包括镜片安装面、轴承及电机安装面、出光口、附加设备安装面和镜筒内外表面蒙皮。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述拓扑优化设计域为除不可设计域外的剩余区域。
[0017]本专利技术还提供了一种大型光学镜筒结构，所述大型光学镜筒结构根据上述技术方案中任一技术方案所述的大型光学镜筒结构优化设计方法设计得到。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述镜筒结构为旋转式结构，由轴承电机驱动。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，所述镜筒结构材料为钛合金。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述镜筒结构表面设置有进光孔和出光口。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]1.本专利技术通过将镜筒结构合理划分为优化设计域和不可设计域，并对优化设计域进行拓扑优化；基于拓扑优化结果和工艺制造流程，对优化后镜筒壳体进行精细化设计，分区域进行加筋处理，根据优化结果的材料密度分布情况确定筋条分布形式和密度，以保证结构刚度，相较于传统依靠设计经验的加筋方法,本专利技术的优化设计方法周期短，指向性高，得到的加筋结构工艺实施性强。
[0023]2.通过本专利技术的优化方法得到的优化结构较优化设计前重量降低40.5％，一阶固有频率提升27.8％，对提升系统运行时的光学指向精度和控制精度效果显著。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的光学镜筒结构优化设计方法流程图。
[0025]图2为本专利技术的拓扑优化设计域和不可设计域结构示意图。
[0026]图3为实施例1的第一结构示意图。
[0027]图4为实施例1的经过优化和调整后的镜筒结构示意图。
[0028]图5为对比例1的传统均匀加筋设计结构示意图。
[0029]附图标记
[0030]1、第一轴承安装面；2、第二轴承安装面；3、第一椭圆孔；4、第二椭圆孔；5、出光口。
具体实施方式
[0031]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。
[0032]在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在附图中仅仅示出了与本专利技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。
[0033]另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0034]如图1所示，本专利技术提供了一种大型光学镜筒结构优化设计方法，包括如下步骤：
[0035]S1、建立初始结构模型：根据光学镜筒功能需求和连接形式，建立镜筒结构初始CAD模型，并对结构参数进行测量；
[0036]S2、建立力学分析模型：划分有限元网格，使用质量点来替代镜片和附加设备并与结构刚性耦合，根据结构实际工作环境，设置第一约束条件，开展模态分析；针对有限元模型划分拓扑优化设计域和不可设计域；
[0037]S3、拓扑优化：以结构质量最小为优化目标，对步骤S2的所述拓扑优化设计域设置第二约束条件，采用变密度法进行拓扑优化设计，获得最优解，得到第一结构；
[0038]S4、精细化建模及加筋布置参数优化：基于工艺制造流程，对步骤S3的所述第一结构进行精细化设计，分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型光学镜筒结构优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立初始结构模型：根据光学镜筒功能需求和连接形式，建立镜筒结构初始CAD模型，并对结构参数进行测量；S2、建立力学分析模型：划分有限元网格，使用质量点来替代镜片和附加设备并与结构刚性耦合，根据结构实际工作环境，设置第一约束条件，开展模态分析；针对有限元模型划分拓扑优化设计域和不可设计域；S3、拓扑优化：以结构质量最小为优化目标，对步骤S2的所述拓扑优化设计域设置第二约束条件，采用变密度法进行拓扑优化设计，获得最优解，得到第一结构；S4、精细化建模及加筋布置参数优化：基于工艺制造流程，对步骤S3的所述第一结构进行精细化设计，分区域进行不均匀加筋处理，以筋条厚度、间隔作为优化变量，结构质量最小作为优化目标，设置第三约束条件，开展参数优化设计获得最优解，得到第二结构；S5、结构刚度校核：对步骤S4得到的第二结构进行结构刚度校核，根据校核结果对所述第二结构的结构参数进行调整，获得满足高刚度的轻量化镜筒结构。2.根据权利要求1所述的大型光学镜筒结构优化设计方法，其特征在于：步骤S3中，所述第三约束条件为所述镜筒结构一阶固有频率不小于与所述镜筒相连的光学设备的工作频率，静载条件下镜片安装面变形不大于光学指向精度要求。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹舒蒙，李强，武春风，胡黎明，王璐，王仰坚，王继福，邓智军，丁齐林，吴凡，夏俊超，
申请(专利权)人：中国航天三江集团有限公司，
类型：发明
国别省市：