【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及空間光學反射鏡，具體涉及一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法及金屬鏡。
技術介紹
1、空間在軌運行的光學遙感載荷，要經受外部高低溫、內部熱源及宇宙射線等多種熱環境因素的影響。這些復雜惡劣的空間熱環境會引起載荷光機結構產生一定的溫度變化和較大的溫度梯度。不均勻溫升的存在將導致光學元件產生熱變形，進而降低光學系統的成像質量。因此，開展面向核心精密光學元件的高效散熱結構設計對提升空間光學載荷熱環境適應性具有重大意義。
2、傳統空間光學反射鏡的結構受限于傳統機械加工工藝，構型較為簡單，背部以三角形、蜂窩型輕量化孔為主。此類構型散熱效率不高，散熱能力較差。針對空間光學載荷需克服發射階段各種復雜力學條件，同時適應在軌工況下嚴苛的空間熱環境等問題，常規空間光學反射鏡的結構已無法滿足其更為嚴格的力熱性能指標要求。
3、近年來，增材制造技術迅猛發展，因其可實現復雜結構零件一體化成型，已在航空航天裝備領域得到了廣泛應用。增材制造技術采用分層制造疊加原理，使用粉末材料作為加工物質，可實現零件快速成型制造，為輕量化、高性能空間光學元件設計與制造帶來了重大機遇。現階段，基于增材制造技術的空間光學反射鏡主要局限于結構輕量化、力學性能優化等方面，未考慮其散熱性能，且存在承載-散熱結構耦合性差等問題。由此可見，如何設計出兼具優異力學性能和散熱功能特性的反射鏡結構，已成為空間光學遙感領域亟待解決的問題。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是解決基于增材制造技術的空間光學反
2、為了解決上述現有技術所存在的不足之處，本專利技術提供了如下技術解決方案：
3、一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特殊之處在于：所述反射鏡包括鏡胚，鏡胚的頂面為鏡面面板，鏡胚內設置有與底面連通的多孔散熱結構；
4、包括如下步驟：
5、步驟1、根據光學設計指標要求確定反射鏡的基本參數，進而建立鏡胚的三維模型作為反射鏡的初始模型；選取初始模型中除鏡面面板以外區域為第一設計域，對初始模型進行尺寸優化設計；
6、再基于尺寸優化后的初始模型，以反射鏡的結構柔度最小作為目標函數來最大化結構整體剛度，建立反射鏡的拓撲優化數學模型，并選取鏡胚內與內部多孔散熱結構對應的實體區域為第二設計域；在第二設計域中，利用優化軟件對拓撲優化數學模型進行拓撲優化設計計算，得到滿足約束條件的反射鏡拓撲構型；
7、步驟2、采用gyroid三周期極小曲面多孔結構建立第二設計域內的體積單胞模型，根據體積單胞模型域內的熱傳導情況，定義熱傳導載荷和約束條件，將體積單胞模型等效熱導率作為目標函數，利用優化軟件對體積單胞模型的位置及孔隙的大小和分布進行優化，以使體積單胞模型等效熱導率最大化，得到優化后體積單胞模型；
8、再以第二設計域的散熱弱度最小化作為散熱優化問題的目標函數，構建熱傳導數理模型；通過有限元法對熱傳導數理模型進行求解，得到優化后體積單胞模型在第二設計域內的分布結構；
9、步驟3、基于步驟1得到的反射鏡拓撲構型與步驟2得到的優化后體積單胞模型在設計域內的分布結構，建立體積約束下結構柔度和散熱弱度最小化的加權多目標優化模型；采用多目標優化算法求解加權多目標優化模型，得到結構功能一體化拓撲優化模型；
10、步驟4、利用建模軟件的后處理功能對步驟3得到的結構功能一體化拓撲優化模型進行光滑化操作，構建反射鏡拓撲優化后的概念構型；根據概念構型并結合增材制造工藝的可制造性約束，運用建模軟件的三維重建功能將反射鏡進行平整化重建處理，得到可制造的反射鏡三維模型，完成反射鏡設計。
11、進一步地，步驟1中，所述選取初始模型中除鏡面面板以外區域為第一設計域，對初始模型進行尺寸優化設計具體為：
12、確定第一設計域側壁的徑向厚度作為設計變量，定義約束條件為初始模型的光軸水平與光軸豎直的最大變形量，將初始模型的質量作為目標函數；使用有限元分析軟件進行模擬，分析當前設計在受到預期負載時的性能，模擬初始模型的光軸水平與光軸豎直的最大變形量，確保滿足約束條件；通過調整設計變量，使用優化算法來迭代尋找使目標函數最小化的設計變量的值，且每次迭代后使用有限元分析軟件驗證新的設計變量是否滿足約束條件，直至找到設計變量的最優解，得到初始模型的軸向厚度分布，完成尺寸優化。
13、進一步地，步驟1中，所述優化算法為梯度下降或遺傳算法。
14、進一步地，步驟1中，所述拓撲優化數學模型如下：
15、find?x＝(ρ1，ρ2，…，ρn)t
16、min?c(x)
17、s.t.ku＝f
18、g(x)≤0
19、0≤ρj≤1，j＝1，2，…，n
20、其中，x為設計變量向量，ρ為材料密度，ρj為第j個元素的材料密度，n表示第二設計域的元素總數，0≤ρj≤1，1代表完全固體材料，0代表空洞；c(x)為結構柔度，k為結構整體剛度矩陣，u為結構的位移向量，f為結構的載荷向量；g(x)為質量約束；
21、
22、其中，ρi為第i個單元的材料相對密度；vi為第i個單元的體積，vnon-design為非第二設計域體積，v0為反射鏡初始體積，α為體積分數上限。
23、進一步地，步驟2中，所述采用gyroid三周期極小曲面多孔結構建立第二設計域內的體積單胞模型具體為：
24、采用gyroid三周期極小曲面作為第二設計域的代表性體積單胞，首先定義gyroid函數如下：
25、
26、其中，r為三維空間的位置矢量，r＝(x，y，z)；c為水平集控制參數，用于控制孔隙的大小和分布；
27、將上述gyroid函數嵌入到建模軟件中，建立體積單胞模型。
28、進一步地，步驟2中，所述以第二設計域的散熱弱度最小化作為散熱優化問題的目標函數，構建熱傳導數理模型；通過有限元法對熱傳導數理模型進行求解，得到優化后體積單胞模型在第二設計域內的分布結構具體為：
29、選擇散熱弱度作為散熱優化問題的目標函數，構建熱傳導數理模型如下：
30、
31、其中，c是散熱弱度，表示在邊界γq上，依賴于散熱性能函數h(φ)的熱通量qs與溫度t′的乘積的積分，∫ωqt′dω表示第二設計域ω的熱源q與溫度t′的積分；
32、使得
33、
34、
35、其中，λ為導熱系數，第二設計域內固體材料與孔洞部分具有不同的導熱系數，ω為測試函數；γt′是已知溫度邊界，是已知的邊界溫度；v是第二設計域的體積，是第二設計域的體積約束；
36、通過有限元法對上述方程進行離散化和數值求解，得到溫度場的分布；通本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于：所述反射鏡包括鏡胚(1)，鏡胚(1)的頂面為鏡面面板(2)，鏡胚(1)內設置有與底面連通的多孔散熱結構(3)；
2.根據權利要求1所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟1中，所述選取初始模型中除鏡面面板以外區域為第一設計域，對初始模型進行尺寸優化設計具體為：
3.根據權利要求2所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟1中，所述優化算法為梯度下降或遺傳算法。
4.根據權利要求1所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟1中，所述拓撲優化數學模型如下：
5.根據權利要求1所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟2中，所述采用Gyroid三周期極小曲面多孔結構建立第二設計域內的體積單胞模型具體為：
6.根據權利要求1至5任一所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟2中，所述以第二設計域的散熱弱度最小化作為散熱優化問題的目標函數，構建熱傳導數
7.根據權利要求1所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，所述步驟3具體為：
8.根據權利要求1所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于：步驟3中，所述多目標優化算法采用非支配排序遺傳算法或多目標粒子群優化算法。
9.一種結構功能一體化高效散熱的金屬鏡，其特征在于：采用權利要求1所述反射鏡設計方法設計，采用金屬粉末為材料源，使用激光選區融化技術制備而成；所述鏡胚(1)的中心設置有中心支撐孔(4)，外側壁設有徑向凸環(5)；所述中心支撐孔(4)、徑向凸環(5)用于與外接的支撐組件連接，從而固定鏡胚(1)。
10.根據權利要求9所述的一種結構功能一體化高效散熱的金屬鏡，其特征在于：所述金屬粉末為AlSi10Mg金屬粉。
...【技術特征摘要】
1.一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于：所述反射鏡包括鏡胚(1)，鏡胚(1)的頂面為鏡面面板(2)，鏡胚(1)內設置有與底面連通的多孔散熱結構(3)；
2.根據權利要求1所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟1中，所述選取初始模型中除鏡面面板以外區域為第一設計域，對初始模型進行尺寸優化設計具體為：
3.根據權利要求2所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟1中，所述優化算法為梯度下降或遺傳算法。
4.根據權利要求1所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟1中，所述拓撲優化數學模型如下：
5.根據權利要求1所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特征在于，步驟2中，所述采用gyroid三周期極小曲面多孔結構建立第二設計域內的體積單胞模型具體為：
6.根據權利要求1至5任一所述的一種結構功能一體化高效散熱的反射鏡設計方法，其特...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳文聰，孫麗軍，李思遠，王爽，王祎純，朱月琪，龍家軍，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：
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