多孔结构的力学分析及新型焦面板的结构优化设计

摘要

LAMOST是国际非常先进的大型望远镜之一，相较国际上的其他大型望远镜具有光力强、视场大、像差小等特点。
　　焦面仪器系统中焦面板的应力应变情况会对望远镜系统的成像质量有着决定性的影响。LAMOST焦面板工作位置的中轴线与水平面夹角25度，观测时焦面板将绕中轴线旋转，故焦面板在整个工作过程中的应力应变变化极其微小。而国外的大型望远镜如Bigboss望远镜中的焦面板不止在平面内旋转，而是在平面翻转的同时实现了空间的翻转，此时重力载荷将对面型精度产生很大的影响故这种空间位姿的改变给焦面板的面型精度提出了更高的要求;与此同时，随着光学技术的发展，焦面板上装载的光纤定位单元也不断小型化，精密化。针对以上两点，本文在使用新型小单元的基础上提出了一种新型的焦面结构，既能够保证焦面良好的面型精度又能够提高光谱的采集效率。解决了单元小型化及焦面板空间翻转带来的面型变形及刚度变化的问题。通过对不同孔型孔数焦面板的ANSYS建模仿真，论证了该新型结构可以很好的保证焦面的面型精度且能够提高光谱的采集效率。
　　本文在板壳理论的基础上，应用经典力学对弹性薄壳，弹性薄板及多孔焦面板进行了受力分析计算，运用中厚板理论研究了当板厚逐渐增加及薄板开孔时板的受力及结构特点。同时在LAMOST焦面板的研究基础上提出了采用六边形集成模块的新型焦面板的概念，并研究了不同孔径，不同模块间隙，不同排布方式，不同板厚条件下以及不同支撑条件下，焦面的中心最大位移，应力应变情况及采用双回转定位机构前提下不同模块间隙相对应的盲区大小，有效的解决了单元优化及焦面板空间翻转带来的面型变形及刚度变化的问题。结合我在课题调研文献查阅方面做的工作及在自己课题上做的深入研究，本文有以下四点创新:
　　1.运用力学分析方法，分析阐述了经典弹性理论和赖斯纳中厚板理论在弹性板壳上的应用，提出了板壳的挠度方程;分析了对于薄板开孔时，采用两种理论在应力应变计算上的误差。并用ansys软件对提出的计算公式和概念进行了建模分析验证。
　　2.综合比较了过去科学家在等效弹性系数上的研究，提出了利用等效实心板计算相应多孔板挠度的概念，以LAMOST焦面板为例分析验证了通过选取适当的等效弹性模量和等效泊松比可以对多孔板的挠度进行力学分析计算。
　　3.LAMOST望远镜工作位置的中轴线与水平面夹角25度，观测时焦面板将绕中轴线旋转而并不发生空间翻转间，同时由于LAMOST焦面较大，挡光较多，影响望远镜的通光孔径及效率，所以迫切需要光纤定位单元的小型化，这样可以使得焦面直径减小以减少挡光，焦面上单元数量增加以提高光谱采集效率。针对以上两点，本文在使用小单元的基础上提出了一种新型的焦面结构，在保证焦面良好的面型精度的基础上减小盲区大小提高光谱的采集效率。
　　4.设计分析并具体研究了六边形模型在不同孔径，不同模块间隙，不同排布方式，不同板厚条件下以及不同支撑条件下，焦面的中心最大位移，应力应变情况。具体计算了模块间隙不同时相对应的盲区大小，并提出了六边形模块错位分布，正对分布的概念，提出了中心加一点支撑，三点支撑的思想并进行了验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．1．1 LAMOST望远镜简介

1．1．2 新型焦面板的研究背景及难点

1．2 本文研究内容及安排

第2章 弹性板壳的力学分析计算

2．1 弹性薄壳

2．1．1 扁壳基本假设

2．1．2 扁壳基本方程

2．1．3 圆形扁壳

2．2 弹性薄板

2．2．1 基本方程的建立

2．2．2 边界条件的选取

2．2．3 圆形薄板中心挠度在极坐标系中的表示

2．3 中厚板弹性理论

2．4 实心薄圆板的ANSYS模拟

2．4．1 实心薄圆板的挠度模拟

2．4．2 实心薄圆板中心最大挠度随板厚的变化

2．5 本章小结

第3章 多孔板的结构特点分析

3．1 赖斯纳中厚板理论在圆板开孔时的应用

3．1．1 受均布载荷p的周边固支圆板的挠度及弯矩特点

3．1．2 圆孔附近的应力集中

3．1．3 实心薄圆板开孔时受力特点的ANSYS模拟

3．2 多孔薄圆板的挠度计算

3．2．1 等效弹性模量的选取

3．2．2 多孔板挠度计算的软件模拟

3．3 模态法在多孔板上的应用

3．4 基于均匀化理论的孔板受力分析

3．4．1 均匀化理论

3．4．2 多孔板均匀化过程

3．4．3 优化模型及求解

3．5 本章小结

第4章 新型焦面板的结构优化设计及模拟仿真

4．1 新型焦面板的选材和结构形式的确定

4．1．1 新型焦面板的材料的选取

4．1．2 新型焦面板的结构形式

4．2 正六边形模块设计

4．3 盲区大小的计算分析

4．3．1 并行可控式光纤定位系统

4．3．2 新型焦面板的盲区计算

4．4 各种不同条件对新型焦面中心最大挠度的影响

4．4．1 建模中焦面板所加载的力的作用平面分析

4．4．2 选用模块一孔隙不同时的中心位移变化

4．4．3 六边形模块二三的探讨

4．4．4 错位六边形焦面

4．5 中心加支撑改善变形

4．5．1 中心一点支撑时的焦面变形

4．5．2 中心三点支撑

4．5．3 模块间距不同时的挠度分析

4．6 本章总结

第5章 论文总结与展望

5．1 论文工作总结

5．2 后续工作展望

参考文献

致谢

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