基于热—结构耦合的光学系统热影响分析

论文摘要

本文结合大型空间光学系统的结构动力学响应分析研究工作,阐述了对空间光学系统进行热振动研究的重要性,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振动分析方法的研究现状做了介绍,阐述了热-结构耦合分析理论和结构热动力响应分析理论的基础。基于热-结构耦合分析理论,利用ANSYS软件计算了不同热浸透和横向热梯度环境下整个光学系统和主镜的热变形。在主镜中心镜的背部支撑机构上设定三定约束形式不变,并沿半径方向设定6组约束位置。计算得到了镜面节点位移随约束位置的变化规律,并分析得出对镜面尺寸稳定性影响最小约束位置以及整个镜面的变形趋势,这些为光学系统的热控提供了分析依据;基于结构热动力响应分析理论,在ANSYS有限元软件中确定热环境下简支梁结构的热响应分析方法,并验证该方法的可行性。分别对简支梁和光学系统进行了温度载荷作用下的模态分析、谐响应分析、冲击响应分析和随机振动分析,确定了温度变化对结构动力学响应的影响。目前,温度载荷作用下的结构动力学分析方法在航天领域的应用较少,由于技术和设备等原因,国内外对这方面的研究多集中在温度环境对结构振动特性的影响,温度环境对动力学响应的影响研究较少。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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 绪言
• 1.2 空间机构热振动研究现状
• 1.3 光学系统热振动研究意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 光学系统热影响分析理论基础
• 2.1 传热学基础理论
• 2.1.1 热传导问题的数学描述
• 2.1.2 热传导问题的有限元法
• 2.2 热弹性力学基本理论
• 2.2.1 热弹性基本假设
• 2.2.2 热弹性基本方程
• 2.3 结构模态理论
• 2.3.1 模态分析
• 2.3.2 模态特性
• 2.4 结构动力响应分析
• 2.5 小结
• 第三章 光学系统热-结构耦合分析
• 3.1 ANSYS 热结构耦合分析流程
• 3.2 空间光学系统
• 3.2.1 光学系统模型简介
• 3.2.2 光学系统的热环境种类
• 3.3 约束位置对主镜中心镜尺寸稳定性影响分析
• 3.3.1 热浸透环境下约束位置对主镜中心镜尺寸稳定性的影响
• 3.3.2 横向热梯度环境下约束位置对主镜中心镜尺寸稳定性的影响
• 3.4 约束位置对光学系统尺寸稳定性影响分析
• 3.4.1 热浸透环境下约束位置对光学系统尺寸稳定性的影响
• 3.4.2 横向热梯度环境下约束位置对光学系统尺寸稳定性的影响
• 3.5 小结
• 第四章 光学系统结构热动力响应分析
• 4.1 热环境下光学系统的模态分析
• 4.1.1 简支梁的热响应分析理论
• 4.1.2 温度载荷作用下简支梁的模态分析
• 4.1.3 光学系统的结构动力学热响应分析理论
• 4.1.4 温度载荷作用下光学系统的模态分析
• 4.2 热环境下光学系统的谐响应分析
• 4.2.1 温度载荷作用下简支梁的谐响应分析
• 4.2.2 温度载荷作用下光学系统的谐响应分析
• 4.3 热环境下光学系统的冲击响应分析
• 4.3.1 温度载荷作用下简支梁的冲击响应分析
• 4.3.2 温度载荷作用下光学系统的冲击响应分析
• 4.4 热环境下光学系统的随机振动分析
• 4.4.1 温度载荷作用下简支梁的随机振动分析
• 4.4.2 温度载荷作用下光学系统的随机振动分析
• 4.5 小结
• 第五章 结束语
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 进一步的工作和展望
• 致谢
• 参考文献