雙面共體反射鏡結構優化設計與分析

馬 霖，譚雙龍，閆 磊，馬思宇，吳洪波，張 新

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.應用光學國家重點實驗室，中國科學院光學系統先進制造技術重點實驗室，吉林 長春 130033）

引言

紅外成像具有全天候工作、穿透力強、抗干擾能力強、受天氣影響小、制導精度高等優點，在偵察探測、導引等領域發揮了重要作用[1-2]。反射鏡作為紅外光學系統中的重要部件，面形穩定性、輕量化率是衡量其性能的關鍵指標。通過拓撲優化技術可以在保證剛度最大化的同時，提高反射鏡的輕量化率，國內外學者也對此做出了諸多研究。在較早的時候，國外Park 等以自重、拋光壓力作為載荷條件，獲得高輕量化的鏡體為目標，利用拓撲優化技術優化單面反射鏡背部的材料分布形式，并加工制造反射鏡體進行驗證[3]。David K 通過尺寸優化的方式以最大剛度為目標，優化鏡面厚度、筋板厚度等參數，得到了一種背板開放的高輕量化鈹反射鏡[4]。韓國LEE 等人通過尺寸優化的方式，對某大口徑鏡體背部肋的厚度和安裝位置進行優化，使其應力應變分布更加均勻[5]。如圖1 所示，從左到右分別為Park，David，LEE 優化所獲的單面反射鏡。

圖1 國外反射鏡優化示例Fig.1 Examples of mirror optimization overseas

國內方面，大連理工大學Liu Shutian 等人通過拓撲優化技術，以最大剛度為目標，對大型空間反射鏡背部的結構形式進行尺寸參數優化和形狀優化，完成高剛度高輕量化反射鏡的優化設計[6]。長春光機所Liu Guang 等人將拓撲優化結合尺寸優化，利用連續體拓撲優化技術獲得了材料的最優分布，根據拓撲結果對輕質肋分組進行尺寸優化，得到最優解[7]。……