【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于大口徑光學透鏡光機結構的優化方法，具體涉及一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法。
技術介紹
1、tmt大氣色散校正器的核心光學元件是一對1.5m的大口徑楔形棱鏡。大口徑楔形棱鏡的光機結構設計面臨著苛刻的約束條件，需要保證非旋轉對稱棱鏡在多維運動及多物理場影響下的穩定支撐和光學面形。大口徑楔形棱鏡通常需要多個支撐點來分配重力載荷并減小每個支撐點處的受力。因此，通常采用準運動學或過約束支撐的方式。支撐結構與周圍結構有彈性耦合，當周圍結構發生彈性變形時，支撐棱鏡也會發生變形，這些變形是由支架和棱鏡之間的相互作用力引起的，不同的支撐方案導致不同的受力分布。這些力的位置、方向和大小不可避免地影響光學表面的變形。為了盡量減少棱鏡光學表面的變形，必須精心設計支架的結構、位置和尺寸。
2、通常是通過人為調整光機結構設計中各零件的尺寸、位置以及連接方式來影響光學系統的傳遞函數，達到指標要求；傳統的光機集成分析過程中，每更新一次數據都涉及大量的手動迭代，以開環方式操作，效率低下，這樣一個過程，通常需要依靠設計師個人經驗，進行多輪迭代，并且每次只能單變量嘗試，耗費大量時間，同時對于系統中存在的多參數耦合影響，人為很難分辨，這些均會影響優化設計的效率和可靠性，并且嚴重依賴于設計師的專業知識。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是解決傳統光機結構優化過程存在效率低下、可靠性不足等技術問題，而提供一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法。
2、為了實現上述目的
3、一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：
4、s1、定義建立大口徑楔形棱鏡及支撐組件參數的取值空間；
5、s2、在取值空間內隨機取值并使用三維建模軟件建立大口徑楔形棱鏡及支撐組件參數化模型，并根據大口徑楔形棱鏡及支撐組件參數化模型確定重要的結構參數；
6、s3、建立大口徑楔形棱鏡及支撐組件的有限元模型，并結合重要的結構參數計算力熱耦合條件下的光學表面變形量以及節點位移數據，對節點位移數據進行剛體位移去除和光學表面擬合，得到光學表面彈性變形的均方根值以及構成均方根值的各項zernike系數；
7、s4、通過光學設計軟件建立大口徑楔形棱鏡光學模型，將各項zernike系數輸入大口徑楔形棱鏡光學模型，計算大口徑楔形棱鏡的傳函數據；
8、s5、采用拉丁超立方實驗設計方法對s2中重要的結構參數和s4中傳函數據進行數據分析，建立重要的結構參數和傳函數據之間的敏感度關系，篩選對于傳遞函數影響最大的多個結構參數；
9、s6、以對于傳遞函數影響最大的多個結構參數作為輸入變量，以大口徑楔形棱鏡的傳函數據作為輸出響應，建立大口徑楔形棱鏡及支撐組件的優化算法模型，并設置迭代次數n；在建立大口徑楔形棱鏡及支撐組件參數的取值空間內分別對輸入變量進行取值，并通過s2-s4計算該組取值的大口徑楔形棱鏡的傳函數據，通過優化算法模型循環迭代尋找大口徑楔形棱鏡的傳函數據最大時對應的結構參數組合，根據該結構參數組合設計大口徑楔形棱鏡及支撐組件的光機結構，完成基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化。
10、進一步地，s2中，所述重要的結構參數包括：與大口徑楔形棱鏡直接接觸的支撐組件的厚度、寬度、弧度、徑向位置、軸向位置。
11、進一步地，s3中，所述建立大口徑楔形棱鏡及支撐組件的有限元模型具體為：
12、s3a、將大口徑楔形棱鏡及支撐組件參數化模型和重要的結構參數輸入有限元軟件中，并對大口徑楔形棱鏡及支撐組件分配材料、設置材料屬性；
13、s3b、根據實際使用工況對大口徑楔形棱鏡及支撐組件參數化模型設置邊界條件，并對大口徑楔形棱鏡及支撐組件設置接觸類型；
14、s3c、根據大口徑楔形棱鏡及支撐組件的形狀和大小，對大口徑楔形棱鏡及支撐組件劃分網格，得到大口徑楔形棱鏡及支撐組件的有限元模型。
15、進一步地，s3a中，所述材料屬性包括材料熱性能參數和力學性能參數；所述材料熱性能參數包括熱傳導系數、熱交換系數、熱膨脹系數，所述力學性能參數包括密度、楊氏模量、泊松比。
16、進一步地，s3中：
17、所述力熱耦合條件下的光學表面變形量包括熱環境邊界條件下的棱鏡光學表面變形量和1g重力下非旋轉對稱棱鏡在不同旋轉角度下的光學表面節點變形量；
18、所述結合重要的結構參數計算力熱耦合條件下的光學表面變形量以及節點位移數據具體為：
19、對大口徑楔形棱鏡及支撐組件的有限元模型加載熱環境邊界條件和重力載荷模型；
20、所述熱環境邊界條件為2℃～42℃，設置初始環境溫度為常溫，分別計算將大口徑楔形棱鏡及支撐組件的有限元模型由初始環境溫度轉至2℃、42℃環境下的棱鏡光學表面變形量；
21、所述重力載荷模型為1g的重力加速度，結合大口徑楔形棱鏡及支撐組件的有限元模型計算非旋轉對稱棱鏡在不同旋轉角度下的光學表面節點變形量；
22、對由初始環境溫度轉至2℃、42℃下的棱鏡光學表面變形量和非旋轉對稱棱鏡在不同旋轉角度下的光學表面節點變形量進行線性疊加，得到節點位移數據。
23、進一步地，s3中所述節點位移數據進行剛體位移去除和光學表面擬合，得到光學表面彈性變形的均方根值以及構成均方根值的各項zernike系數具體為：
24、利用齊次坐標變換法分離出節點位移數據中的剛體位移數據，去除剛體位移數據，得到光學表面彈性變形數據，利用zernike多項式作為光機接口對光學表面彈性變形數據進行多項式擬合，得到光學表面變形的均方根值以及構成均方根值的各項zernike系數。
25、進一步地，s5中所述建立重要的結構參數和傳函數據之間的敏感度關系，篩選對于傳遞函數影響最大的多個結構參數具體為：對重要的結構參數和傳函數據采樣，根據采樣得到的樣本點建立多元二次回歸模型，進行統計檢驗和回歸分析，回歸模型的系數表示重要的結構參數對傳函數據的影響大小，將回歸模型的系數從大到小進行排序，選取回歸模型中5個較大的系數對應的重要的結構參數作為對于傳遞函數影響最大的結構參數。
26、進一步地，s6中所述優化算法模型為多島遺傳算法模型，粒子群算法模型及模擬退火算法模型中的一種。
27、本專利技術有益效果是：
28、1)本專利技術一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，采用閉環集成優化算法對結構參數分析、反饋，能夠使優化結果準確收斂到優化區間內，減少人為傳遞分析數據的大量重復性勞動，節省了分析時間，提高光機結構的優化效率，同時可靠性好；
29、2)本專利技術一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，根據構成光學表面變形的均方根值的各項zernike系數，計算大口徑楔形棱鏡的傳函數據，篩選對于傳遞函數影響最大的結構參數，能夠提高優化可靠性；
30、3)本專利技術本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，S2中，所述重要的結構參數包括：與大口徑楔形棱鏡直接接觸的支撐組件的厚度、寬度、弧度、徑向位置、軸向位置。
3.根據權利要求1所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，S3中，所述建立大口徑楔形棱鏡及支撐組件的有限元模型具體為：
4.根據權利要求3所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于：S3a中，所述材料屬性包括材料熱性能參數和力學性能參數；所述材料熱性能參數包括熱傳導系數、熱交換系數、熱膨脹系數，所述力學性能參數包括密度、楊氏模量、泊松比。
5.根據權利要求1所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，S3中：
6.根據權利要求1-5任一所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，S3中所述節點位移數據進行剛體位移去除和光學表面擬合，得到光學表面彈性變形的均方根值以及構成均方根
7.根據權利要求1所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，S5中所述建立重要的結構參數和傳函數據之間的敏感度關系，篩選對于傳遞函數影響最大的多個結構參數具體為：對重要的結構參數和傳函數據采樣，根據采樣得到的樣本點建立多元二次回歸模型，進行統計檢驗和回歸分析，回歸模型的系數表示重要的結構參數對傳函數據的影響大小，將回歸模型的系數從大到小進行排序，選取回歸模型中5個較大的系數所對應的重要的結構參數，作為對于傳遞函數影響最大的結構參數。
8.根據權利要求1所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，S6：中所述優化算法模型為多島遺傳算法模型，粒子群算法模型及模擬退火算法模型中的一種。
...【技術特征摘要】
1.一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，s2中，所述重要的結構參數包括：與大口徑楔形棱鏡直接接觸的支撐組件的厚度、寬度、弧度、徑向位置、軸向位置。
3.根據權利要求1所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，s3中，所述建立大口徑楔形棱鏡及支撐組件的有限元模型具體為：
4.根據權利要求3所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于：s3a中，所述材料屬性包括材料熱性能參數和力學性能參數；所述材料熱性能參數包括熱傳導系數、熱交換系數、熱膨脹系數，所述力學性能參數包括密度、楊氏模量、泊松比。
5.根據權利要求1所述的一種基于光機熱集成分析的閉環光機結構優化方法，其特征在于，s3中：
6.根據權利要求1-5任一所述的一種...
【專利技術屬性】
技術研發人員：溫婉莎，阮萍，呂濤，李翔宇，邱鵬，謝梅林，
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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