[发明专利]大视场天文望远镜主镜轴向和侧支撑的自动优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于有限元软件和计算机语言参数化编程对天文望远镜主镜轴向支撑和侧支撑进行自动优化设计的方法技术，属于天文仪器研究领域。

背景技术

建造新一代天文望远镜，提高大规模巡天能力是地面光学设备发展的主要趋势之一。光学天文望远镜对主镜反射面要求高，在重力情况下轴向支撑和侧支撑主镜反射面变形均方根误差要优化到纳米量级，一直以来都是一个繁琐的难题。解决天文望远镜主镜支撑优化难题，有以下三个途径：一是解析法，即从弹性力学理论出发建立天文望远镜主镜的在重力情况下支撑数学模型，进而求出解析解；二是实验法；三是数值计算法，即基于大型通用有限元软件进行计算模拟。解析法是要在结构简化和结果精度之间寻找一个妥协，况且天文望远镜主镜多使用新月形等厚镜面，即主镜反射面是抛物面，加上支撑点多，故从弹性力学理论出发建立数学模型和进行解析法求解非常困难。实验法虽然精度高且可靠，但必须在主镜造出来后才能进行，而且成本高，操作复杂，周期长，不适合天文望远镜前期设计工作。受益于当代计算机迅猛发展，数值计算法相对前两种方法更具有优势，既能保证精度，又能提高设计的效率。

目前，研究人员对望远镜主镜进行数值计算存在以下问题：1）采用超静定支撑，形成过约束。2）优化出来的支撑点位置现实可操作性不强，没有规则性和规律性。由于网格多是采用自由划分，节点位置没有规律，优化出来的支撑点位置（必落在节点上）也没有规律，在实物支撑过程中可操作性不强。3）没有提取主镜反射面的节点信息进行二次开发，所显示均方根误差相对原来坐标系反射镜面变形均方根误差。

发明内容

鉴于天文望远镜主镜支撑设计中存在的问题，本发明的目的在于提供一种大视场天文望远镜主镜轴向和侧支撑的自动优化设计方法（天文望远镜主镜基于有限元软件参数化自动优化设计方法），本方法更接近主镜反射面真实变形情况，提高计算精度，缩短设计周期，节约设计成本且计算效率高自动优化设计技术。

完成上述发明任务的技术方案是：一种大视场天文望远镜主镜轴向和侧支撑的自动优化设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤⑴-⑺是基于大型有限软件平台，

⑴.参数化建立模型；

⑵.参数化网格化分；

⑶.参数化施加载荷；

⑷.进行初始求解；

⑸.设立优化求解目标；

⑹.自动进行步骤⑴-⑷的多次循环；

⑺.提取每次循环计算；

以下步骤⑻-⑽是基于通用的计算机语言，

⑻.进行二次开发实现反射面数据拟合；

然后分别进行步骤⑼与步骤⑽：

⑼.给出均方根误差；

⑽.给出反射镜面变形云图；

以上的天文望远镜主镜支撑优化设计方法技术，所述的天文望远镜主镜是等厚双抛物面主镜（新月形等厚镜面），主镜的内径为φ₁=2r₁,外径为φ₂=2r₂，上下抛物线分别为和两抛物线之间的距离处处相等，即主镜的厚度为h。如图1所示。

天文望远镜主镜支撑优化设计方法技术包括天文望远镜主镜支撑原理理论方案设计和基于有限元软件以及计算机语言参数化编程对初始设计方案进行自动循环优化方法。

所述的天文望远镜主镜支撑原理理论方案设计是主镜轴向支撑时候采用多环正多边形顶点分布静定支撑，侧支撑时候采用六点静定支撑，不存在过约束的情况。

所述轴向多环正多边形顶点分布静定支撑，即在轴支撑的时候，假设重力方向沿着Z轴负方向，多环支撑点上分别施加相等Z轴正方向轴向力平衡重力，每一环支撑点都在以该环为外接圆正多边形顶点上，支撑点Z轴方向轴力等于重力除以支撑点的数量。在进行有限元数值计算的时候，在所有环中选中其中一环里三个成为正三角形顶点支撑点，并约束住它们(θ,Z)六个自由度，除了这三个支撑之外的所有支撑点施加相同的Z轴正方向轴力。

所述侧向六点静定支撑，在镜面垂直情况下，在主镜外径r₂圆周面上高度H（距主镜底抛物面顶点距离）处选择六点，该六点在以r₂圆周为外接圆正六边形顶点上，分别给这六个点施加正弦或余弦形式的切力、径力和轴力，平衡主镜的重力和重力力矩。在进行数值计算的时候，在其中三个成为正三角形顶点支撑点上约束住(θ,Z)六个自由度，其他支撑点施加切力、径力和轴力。