大口径光学反射镜加工制造过程中的复合支撑技术研究

作     者：江昱含 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：关英俊

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：大口径光学反射镜 重力卸载 刚度分散性 液压支撑单元 复合支撑 

摘      要：在大口径反射镜的加工制造中,为了提高加工效率以及重力卸载精度,本文提出了一种新型液压支撑结构,在液压支撑单元间支撑刚度存在分散性的情况下会显著降低反射镜的重力卸载精度与加工精度,从而影响反射镜的面形精度。本文以新型复合液压支撑为研究对象,运用理论分析、有限元分析以及试验测试对支撑刚度分散性展开研究,并提出降低刚度分散性的措施,从而提高反射镜面形精度。具体研究工作如下:第一部分主要介绍了4m反射镜的结构及各种不同反射镜的重力卸载支撑方式,通过对比不同支撑方式,最终选择液压Whiffletree结构作为4m反射镜的重力卸载支撑。在Hyper Mesh软件中用弹簧单元模拟反射镜的54点被动支撑,计算出54点支撑刚度完全一致,3%差异和5%差异的反射镜Z向（光轴方向）重力面形RMS值分别为6.5nm,13.3nm,19.0nm。分析结果表明,支撑刚度分散性对卸载精度有着明显消极影响。第二部分从系统级、组件级和零件级分别介绍了原位检测支撑系统的载荷卸载端、支撑结构以及滚动膜片结构;通过拉伸试验测量了纤维夹布橡胶的关键材料参数;对液压支撑单元进行受力分析,从流体力学、弹性力学和固体力学入手推导出支撑单元的支撑刚度解析式,进而得到支撑刚度与支撑结构本身尺寸参数、液压介质参数以及油液压强有关的结论。刚度解析式的推导为本文后续工作提供了理论依据,也为其他液压支撑单元的设计提供指导。第三部分研究各项参数及实际工况对支撑刚度及刚度分散性的影响。首先,通过有限元分析得出支撑单元尺寸参数及材料参数对支撑刚度的影响由大到小依次为:膜片厚度、膜片卷积高度、膜片卷积宽度和膜片弹性模量;然后进行了三组联组试验,测试了工作压强、工件下压速度和密封腔体中气泡含量对刚度分散性影响。测试结果表明,刚度分散性随着工作压强和工件下压速度增大而减小,气泡对于降低支撑刚度的分散性具有十分不利的影响;最后提出了有效降低刚度分散性的措施。第四部分为液压支撑系统的性能验证,在实施降低刚度分散性方法的情况下,分别从稳定性和重力卸载精度两方面进行性能验证。为测试系统的稳定性,进行单个液压支撑单元和液压联组加载工况下的密封性试验。测试结果表明,单液压支撑单元加载时管路内部压强变化迟缓,泄压速度低;液压单元联组加载工况下管路压强变化不明显。为验证液压支撑系统的重力卸载精度,对4m口径反射镜原位检测平台的500mm口径反射镜系统缩比模型进行了加工集成,引入降低刚度分散性的措施,最终测得实际九点支撑情况下的重力卸载面形精度RMS值为10.4nm,与分析计算结果误差小于5%,验证了本文提出的降低刚度分散性措施的有效性。