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激光通信主镜结构多目标拓扑优化设计

姚玉刚 李耀彬 伞晓刚 高世杰

姚玉刚, 李耀彬, 伞晓刚, 高世杰. 激光通信主镜结构多目标拓扑优化设计[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(9): 1414-1419. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190006
引用本文: 姚玉刚, 李耀彬, 伞晓刚, 高世杰. 激光通信主镜结构多目标拓扑优化设计[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(9): 1414-1419. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190006
Yao Yugang, Li Yaobin, San Xiaogang, Gao Shijie. Multi-objective Topological Optimization of Primary Mirror of Laser Communication Terminal[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(9): 1414-1419. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190006
Citation: Yao Yugang, Li Yaobin, San Xiaogang, Gao Shijie. Multi-objective Topological Optimization of Primary Mirror of Laser Communication Terminal[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(9): 1414-1419. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190006

激光通信主镜结构多目标拓扑优化设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190006
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51605465

详细信息
    作者简介:

    姚玉刚(1992-), 硕士研究生, 研究方向为光机结构优化设计与分析, yaoyg522@163.com

    通讯作者:

    李耀彬, 研究员, 硕士生导师, liyaobin@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TH122

Multi-objective Topological Optimization of Primary Mirror of Laser Communication Terminal

  • 摘要: 为提高激光通信主镜的质量,针对激光通信终端主镜进行优化设计。基于多目标拓扑优化和折衷规划法的理论,建立了一种考虑多工况结构刚度和质量最小化的多目标优化数学模型。利用Optistruct求解器对主镜进行优化设计,得到主镜新模型。对主镜结构进行详细设计和有限元分析,分析在主镜光轴水平和竖直工况时的镜面变形。结果表明主镜轻量化率为55.3%,与优化前相比主镜光轴竖直时主镜面形精度有较大提高,满足激光通信中对主镜性能指标的要求。与不同轻量化主镜结构进行对比,该方法得到的结构面形精度更高,验证了该方法的可行性。
  • 图  1  主镜初始模型

    图  2  主镜有限元模型

    图  3  不同权重因子时目标函数迭代曲线

    图  4  拓扑优化材料分布图

    图  5  优化密度云图

    图  6  主镜优化后模型

    图  7  工况1(光轴竖直时)主镜变形云图

    图  8  工况2(光轴水平时)主镜变形云图

    图  9  三角形轻量化结构

    图  10  扇形轻量化结构

    表  1  单目标优化结果

    C1min 4.722×10-5 C1max 3.497×10-4
    C2min 1.47×10-5 C2max 8.365×10-5
    Vmin 0.01 Vmax 1
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    表  2  主镜优化前后结果对比

    质量/kg 工况1 工况2
    PV/nm RMS/nm PV/nm RMS/nm
    初始值 20.8 12.65 2.60 2.00 0.40
    优化值 9.3 9.58 2.33 2.14 0.31
    减少量 55.3% 24.3% 10.4% -7% 22.5%
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    表  3  不同轻量化形式结构对比

    质量/kg 工况1 工况2
    PV/nm RMS/nm PV/nm RMS/nm
    三角形 10.5 12.52 2.58 2.24 0.41
    扇形 9.5 13.15 2.86 2.32 0.44
    拓扑优化结构 9.3 9.58 2.33 2.14 0.31
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  • 收稿日期:  2018-07-20
  • 刊出日期:  2019-09-05

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