[发明专利]一种具有闭孔泡沫结构的反射镜主体设计与优化方法

说明书

本发明涉及一种具有闭孔泡沫结构的反射镜主体设计与优化方法，该方法根据3D‑Voronoi算法对随机泡沫建模，再利用Delaunay三角化算法与Voronoi算法的对偶性，根据Delaunay三角算法对排粉孔进行设计，实现反射镜内部整体的连通性约束；优化后的闭孔泡沫结构具有相对好的轻量化率和优异的力热性能，尤其在高能激光系统中，作为激光反射镜，其抗变形能力较强；相比于传统反射镜，其加工周期短，成本低，具有相对优势。

技术领域

本发明属于反射镜制造技术领域，涉及一种具有闭孔泡沫结构的反射镜主体设计与优化方法。

背景技术

随着近年来金属增材制造技术的快速发展，已经被应用到航空航天、生物医疗等多种领域。其自下而上，逐层打印的制造方式彻底改变了传统的制造方式，使制造复杂结构成为可能。因此增材制造技术也是对设计的一次革新，将其引入进来能够使反射镜结构设计的自由度得以大大提升。空间热环境和高能激光器的巨大热载荷是光学系统面临的两个最具挑战性的环境，因此反射镜热设计以及系统热控是必要的。在反射镜研制过程中要综合考虑其在不同阶段所处的环境，以保证反射镜具有良好的稳定性，或采用有效措施降低环境对其产生的影响。

高能激光系统中，激光使反射镜温度变化，引起热变形，从而使光束质量下降是相关领域的研究热点。反射镜温度分布变化主要有三种形式，轴向温差、径向温差和周边温差。一般情况下高能激光反射镜依靠材料热特性以有效地从镜面散热，或依靠被动冷却机制和高反射膜来承受激光损伤。同时光学系统依靠精密机械结构在一系列具有挑战性的动态、热力环境中将反射镜等光学元件固定在规定的位置。其中高能激光反射镜具有较严格的公差，受到高能激光束周期性热负载的影响，这使得它们成为设计和制造中最具挑战性的光学元件之一。并且随着高能激光系统不断发展，激光反射镜等光学元件的特性也必须不断发展以满足更高的激光能量密度要求。

高能激光使反射镜热变形，引起光束质量下降是目前的研究热点。受传统制造的局限性，高能激光反射镜一般情况下均为单片结构。因此传统的激光反射镜结构单一，抗变形能力差。其主要依赖于被动冷却机制和高反射率膜层来承受激光损伤。并且结合高比刚度和高热传导率的材料本身特性，对整个反射镜进行散热，效率略低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有闭孔泡沫结构的反射镜主体设计与优化方法，优化后的反射镜既有优异的力学特性，又有着独特的传热机制，能够在某些极端环境中具有良好的稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明的具有闭孔泡沫结构的反射镜主体设计与优化方法如下：

步骤1、利用三维建模软件创建反射镜主体初始模型；反射镜主体初始模型具有内部腔体；

步骤2、在Rhino中的Grasshopper插件坐标系中创建与反射镜主体初始模型腔体横截面尺寸相应的立方体；输入设定的种子数量N，通过3D-Voronoi算法对立方体进行剖分，得到由N个多棱形晶格构成的初始闭孔泡沫结构面模型，借助Delaunay三角化算法生成Delaunay三角结构；将初始闭孔泡沫结构面模型中每个多棱形晶格的各侧面向内缩进对晶格边界加设定厚度t1；将各Delaunay三角的每个边加粗形成半径为r1的细圆柱体，得到闭孔泡沫结构终模型；

步骤3、在三维建模软件中将闭孔泡沫结构终模型修剪并嵌入反射镜主体初始模型的内部腔体中；将闭孔泡沫结构终模型与Delaunay三角结构作布尔运算，得到具有气流通道的反射镜主体模型；

重复步骤2～步骤3并反复调整种子数量N、设定厚度t1，选取反射镜主体镜面变形量最小时对应的具有气流通道反射镜主体模型作为反射镜主体最终模型。

所述的步骤2中，可以采用下述方法得到闭孔泡沫结构终模型：

步骤2.1、在Rhino中的Grasshopper插件坐标系中创建与反射镜主体初始模型内部腔体横截面尺寸相应的立方体；