光学元件轻量化设计方法、装置及设备与流程

本发明涉及光学元件领域，尤其涉及光学元件轻量化设计方法、装置及设备。

背景技术：

1、卫星发射成本取决于卫星重量，据统计，卫星重量每增加1kg，发射成本将增加5000美元。光学系统重量占整个卫星重量的大部分，因此，航天光学系统在设计时应尽可能的采用轻量化设计。但轻量化设计会让光学系统的刚度下降，从而造成共振和光学元件变形等问题，影响光学系统的成像质量。共振指的是系统基频与外部激励频率相近，则可能会引发共振，破坏机械结构。光学元件变形（例如反射镜变形），可能会导致支撑强度不足，如果支撑强度不足，则会造成反射镜镜面的形状与设定的理论值产生较大偏差，导致光学系统无法正常成像，因此高刚度轻量化光学系统的设计一直是一项具有挑战性的任务。

2、现有传统的反射镜轻量化设计主要采用传统经验设计与有限元校核的手段。该方法是根据设计人员经验，采用传统理论和经验公式设计出光学元件的轻量化结构，再用有限元分析的手段进行校核计算，然后根据仿真分析结果，修改模型，进行反复迭代，最终设计出满足指标要求的光学元件的轻量化结构。该方法效率相对较低，耗费大量的人力和物力。

3、因此，现有技术还有待改进和发展。

技术实现思路

1、本发明提供了一种光学元件轻量化设计方法、装置及设备，用于提高设计效率，节省人力。

2、为达到上述目的，本发明提供的方案是：

3、本发明第一方面提供了一种光学元件轻量化设计方法，所述光学元件轻量化设计方法包括：根据光学元件的面积确定支撑背板的面积以及预开孔的面积；基于有限元分析确定支撑背板的轻量化孔与支撑背板的最佳面积比，并根据支撑背板的面积和最佳面积比计算轻量化孔的最佳面积；根据光学元件的尺寸确定支撑背板的接口的位置，并根据接口的位置确定主加强筋；判断所述主加强筋的长度是否超过预设长度，若是，则在所述主加强筋与预开孔的孔壁之间添加第一副加强筋；在接口处布置放射状的第二副加强筋，所述第二副加强筋与自接口延伸至预开孔的孔壁；计算当前支撑背板形成的多个轻量化孔的面积和接口的通槽面积之和，并计算得到的值与轻量化孔的最佳面积的差值，若所述差值为负数，则根据差值减少主加强筋、第一副加强筋和第二副加强筋的壁厚和/或数量，若所述差值为正数，则根据差值计算得到待添加的加强筋的总长度，并在面积较大的若干个轻量化孔内添加若干个第三副加强筋，若干个第三副加强筋的总长度等于待添加的加强筋的总长度。

4、优选地，所述基于有限元分析确定支撑背板的轻量化孔与支撑背板的最佳面积比，并根据支撑背板的面积和最佳面积比计算轻量化孔的最佳面积，包括：以轻量化孔的面积与支撑背板的面积的比值为横轴，有限元分析基频结果为纵轴进行多次有限元分析，得到分析结果；将所述分析结果进行数值拟合，得到曲线拟合结果；结合支撑背板实际的尺寸限制和曲线拟合结果，找到面积比最大的点，作为最佳面积比；根据支撑背板的面积和所述最佳面积比计算轻量化孔的最佳面积。

5、优选地，所述主加强筋的延长线与接口的中心在同一直线上。

6、优选地，在所述主加强筋与预开孔的孔壁之间添加第一副加强筋时，计算主加强筋的长度超过预设长度的倍数，并对超过的倍数值向上取整，根据向上取整的值添加对应数量的第一副加强筋。

7、优选地，当所述第一副加强筋的数量为一时，第一副加强筋设置在主加强筋的中心位置。

8、优选地，当所述第一副加强筋的数量不为一时，第一副加强筋沿主加强筋的长度方向均匀分布。

9、优选地，所述第二副加强筋的延长线与接口的中心在同一直线上。

10、本发明第二方面提供了光学元件轻量化设计装置，包括：面积确定模块，用于根据光学元件的面积确定支撑背板的面积以及预开孔的面积；第一计算模块，用于基于有限元分析确定支撑背板的轻量化孔与支撑背板的最佳面积比，并根据支撑背板的面积和最佳面积比计算轻量化孔的最佳面积；主加强筋确定模块，用于根据光学元件的尺寸确定支撑背板的接口的位置，并根据接口的位置确定主加强筋；判断模块，用于判断所述主加强筋的长度是否超过预设长度，若是，则在所述主加强筋与预开孔的孔壁之间添加第一副加强筋；副加强筋确定模块，用于在接口处布置放射状的第二副加强筋，所述第二副加强筋与自接口延伸至预开孔的孔壁；第二计算模块，用于计算当前支撑背板形成的多个轻量化孔的面积和接口的通槽面积之和，并计算得到的值与轻量化孔的最佳面积的差值，若所述差值为负数，则根据差值减少主加强筋、第一副加强筋和第二副加强筋的壁厚和/或数量，若所述差值为正数，则根据差值计算得到待添加的加强筋的总长度，并在面积较大的若干个轻量化孔内添加若干个第三副加强筋，若干个第三副加强筋的总长度等于待添加的加强筋的总长度。

11、本发明第三方面提供了一种光学元件轻量化设计设备，包括存储器和至少一个处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令；

12、所述至少一个处理器调用所述存储器中的所述计算机可读指令，以执行如上所述光学元件轻量化设计方法的各个步骤。

13、本方案中，先通过有限元分析确定轻量化孔的最佳面积，再确定主加强筋和副加强筋的位置，相较于传统的先设计再分析方法，可以避免在设计阶段中多次尝试不同的孔面积，从而可以提高设计效率和节省人力。

技术特征：

1.一种光学元件轻量化设计方法，其特征在于，所述光学元件轻量化设计方法包括：

2.如权利要求1所述的光学元件轻量化设计方法，其特征在于，所述基于有限元分析确定支撑背板的轻量化孔与支撑背板的最佳面积比，并根据支撑背板的面积和最佳面积比计算轻量化孔的最佳面积，包括：

3.如权利要求1所述的光学元件轻量化设计方法，其特征在于，所述主加强筋的延长线与接口的中心在同一直线上。

4.如权利要求1所述的光学元件轻量化设计方法，其特征在于，在所述主加强筋与预开孔的孔壁之间添加第一副加强筋时，计算主加强筋的长度超过预设长度的倍数，并对超过的倍数值向上取整，根据向上取整的值添加对应数量的第一副加强筋。

5.如权利要求4所述的光学元件轻量化设计方法，其特征在于，当所述第一副加强筋的数量为一时，第一副加强筋设置在主加强筋的中心位置。

6.如权利要求4所述的光学元件轻量化设计方法，其特征在于，当所述第一副加强筋的数量不为一时，第一副加强筋沿主加强筋的长度方向均匀分布。

7.如权利要求1所述的光学元件轻量化设计方法，其特征在于，所述第二副加强筋的延长线与接口的中心在同一直线上。

8.如权利要求1所述的光学元件轻量化设计方法，其特征在于，所述第二副加强筋与所述预开孔的孔壁垂直。

9.一种光学元件轻量化设计装置，其特征在于，包括：

10.一种光学元件轻量化设计设备，其特征在于，包括存储器和至少一个处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令；

技术总结
本发明适用于光学元件领域，公开了光学元件轻量化设计方法、装置及设备，该方法用于提高设计效率，节省人力；该方法包括：根据光学元件的面积确定支撑背板的面积和预开孔的面积；基于有限元分析确定支撑背板的轻量化孔与支撑背板的最佳面积比，并计算轻量化孔的最佳面积；根据光学元件的尺寸确定支撑背板的接口的位置，并根据接口的位置确定主加强筋；判断主加强筋的长度是否超过预设长度，若是，则在主加强筋与预开孔的孔壁之间添加第一副加强筋；在接口处布置放射状的第二副加强筋；计算当前支撑背板的多个轻量化孔的面积和接口的通槽面积之和，并计算得到的值与轻量化孔的最佳面积的差值，并根据差值进行调整。

技术研发人员：李骏驰,李延伟,谢新旺,张士亨,刘华秋,黄悦章
受保护的技术使用者：季华实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19