CN109212702A - 高精度准直镜框架及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度准直镜框架及设计方法，其中准直镜框架包括外围框架和内部筋板，外部框架为正多边形，外部框架的边数为3的倍数；外围框架内部连接内部筋板，内部筋板由多个筋板单元相互连接形成；外部框架的相邻边之间通过对称焊缝焊接，外部框架与内部筋板之间通过螺栓连接。本发明所述准直镜框架长期使用的过程中总体变形小，能有效的保证准直镜拼接安装的精度。

Description

高精度准直镜框架及设计方法

技术领域

本发明涉及准直镜安装框架技术领域，尤其涉及一种高精度准直镜框架及设计方法。

背景技术

太阳模拟器一般采用离轴准直光学系统来获得较高的辐照体均匀度，由于被辐照体对称轴与光源系统的光轴有一定夹角,可以消除被辐照体表面二次和多次反射带来的辐照度误差。

准直镜是将发散的均匀光束变成平行光束的必须装置。理想的准直镜面型应采用二次抛物面，但由于对应的输出光束直径较大，而大口径抛物面准直镜难以加工，且成本高昂，所以准直镜通常采用多块单元准直镜拼接而成。

对于采用不同曲率半径的单元准直镜拼接组成的近似抛物面准直镜，为保证光源利用率，需使单元准直镜之间拼接的间隙尽量小，以减小拼接准直镜与理想准直镜之间的偏差，因此要求安装准直镜的准直镜框架要精度高并且框架长期变形小。

现有的拼接准直镜框架一般采用焊接方式连接，它将框架进行整体焊接或者先分块焊接再将各部分焊接在一起。这种全焊接的方式焊接变形很大，无法保证单元准直镜的安装平面精度；并且随着时间推移，框架内部承受的应力会导致框架发生局部扭曲，进而破坏准直镜的拼接面型，并进一步影响太阳模拟器的辐射分布，影响测试结果。尤其对于不同曲率半径单元准直镜的拼接，精度会受到更大的影响。

因此，针对以上不足，需要设计一种新型准直镜框架，使其能够有效对抗框架内部应力，减小变形，以保障准直镜的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有准直镜框架抗变形能力差，影响准直镜精度的问题，提供一种高精度准直镜框架及设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度准直镜框架，包括：外围框架和内部筋板，

外部框架为正多边形，外部框架的边数为3的倍数；外围框架内部连接内部筋板，内部筋板由多个筋板单元相互连接形成；

外部框架的相邻边之间通过对称焊缝焊接，外部框架与内部筋板之间通过螺栓连接。

在根据本发明所述的高精度准直镜框架中，所述内部筋板由多个筋板单元形成网格式布局。

在根据本发明所述的高精度准直镜框架中，所述内部筋板的每个网格为等边三角形。

在根据本发明所述的高精度准直镜框架中，所述外部框架的每条边为一整块钢板。

在根据本发明所述的高精度准直镜框架中，所述外部框架为正12边形。

本发明还提供了一种高精度准直镜框架的设计方法，基于上述任一项所述的高精度准直镜框架实现，包括：

根据准直镜尺寸确定准直镜外围框架的尺寸，根据准直镜口径确定外围框架的边数及边长；

建立外围框架的筋板模型，进行受力分析，根据外围框架内部应力分布确定筋板单元的方向及尺寸。

在根据本发明所述的高精度准直镜框架的设计方法中，根据受力分析结果，使按同一方向分布的N块筋板单元由一整块长条形钢板形成,N为小于或者等于6的正整数。

在根据本发明所述的高精度准直镜框架的设计方法中，根据受力分析结果，使对应于拉力及压力分布集中位置的N块筋板单元由一整块长条形钢板形成。

在根据本发明所述的高精度准直镜框架的设计方法中，所述N块筋板单元为5块筋板单元。

在根据本发明所述的高精度准直镜框架的设计方法中，相邻长条形钢板之间通过螺栓连接。

实施本发明的高精度准直镜框架及设计方法，具有以下有益效果：本发明设计了正多边形的外部框架，及用于内部支撑的内部筋板。内部筋板的设置形式结合了对外部框架内部各部位的受力分析进行确定，并在外部框架的各边之间及框架与内部筋板之间采用了焊接与螺栓连接相结合的方式，来减小准直镜框架的应力变形，从而来保证单元准直镜的安装定位精度。

经实验验证，本发明所述准直镜框架长期使用的过程中总体变形小，能够满足使用要求，从而有效的保证准直镜拼接安装的精度；既而不会对太阳模拟器的辐射分布造成影响，确保了测试结果的可靠。

附图说明

图1为根据本发明的高精度准直镜框架的示例性示意图；

图2为根据本发明的高精度准直镜框架的示例性仿真图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一、本发明的第一方面，提供了一种高精度准直镜框架，结合图1所示，包括：外围框架1和内部筋板2，

考虑到大型系统的稳定性，可以设置外部框架1为正多边形，外部框架1的边数为3的倍数；外围框架1内部连接内部筋板2，内部筋板2由多个筋板单元相互连接形成；

外部框架1的相邻边之间通过对称焊缝焊接，外部框架1与内部筋板2之间通过螺栓连接。

本实施方式是针对现有框架一般适用于同曲率半径的单元准直镜拼接使用，而对于不同曲率半径的单元准直镜拼接，框架易产生变形而设计。它使外部框架1的相邻边之间通过对称焊缝焊接，能够保证外部框架1的整体变形小，从而增加外部框架1的整体稳定性。对外部框架1边数的选择，要结合内部筋板2的设置形式选定，需为内部筋板2的稳定连接提供稳定的支撑基础。

结合图1所示，作为示例，所述内部筋板2可以由多个筋板单元形成网格式布局。内部筋板2将外部框架1内部进一步分割成小的支撑单元，是为了配合待拼接的单元准直镜，为每一块单元准直镜提供可靠的支撑。具体的网格形式可以是与单元准直镜的形状相配合，本身不易变形的多个小单元组成；同时，内部筋板2的结构设计还要保证不会由于内部应力的作用产生局部扭曲变形。

作为示例，结合图1和图2所示，所述内部筋板2的每个网格为等边三角形。由常识可知，在所有平面多边形中，唯三角形最具稳定性。由于三角形三条边能够形成不易变形的稳定平面，采用三角形网格形式形成内部筋板2，能最大限定的减小整体框架在重力及应力作用下产生的变形。而等边三角形配合正多边形结构的外部框架1，能够更好的保证单元准直镜的定位精度。

对于一个完整结构来说，显然整体性越好，其稳定性也会更好；也就是说，需要通过外力进行连接的中间程序越多，越不利于整体的稳定性。因此，为了尽量减小外来因素的干扰影响整体框架的稳定性，又考虑到钢板的长度限制，作为示例，所述外部框架1的每条边为一整块钢板。

作为示例，结合图1和图2所示，所述外部框架1可以为正12边形。外部框架1边数的选择可以基于框架整体受力的程度和准直镜的大小综合确定。

具体实施方式二、本发明的另一方面还提供了一种高精度准直镜框架的设计方法，基于上述任一项所述的高精度准直镜框架实现，包括：根据准直镜尺寸确定准直镜外围框架1的尺寸，根据准直镜口径确定外围框架1的边数及边长；

建立外围框架1的筋板模型，进行受力分析，根据外围框架1内部应力分布确定筋板单元的方向及尺寸。

本实施方式将准直镜框架的设计与安装单元准直镜后内部筋板2所受应力的分布特点进行结合，使筋板单元的设计方向及尺寸能减小应力的产生，使整体框架稳定。

结合图2所示，作为示例，根据受力分析结果，可以使按同一方向分布的N块筋板单元由一整块长条形钢板形成,N为小于或者等于6的正整数。图2所示仿真图，通过灰度的不同来表示不同的长条形钢板。其中连续的同灰度的筋板单元表示由同一整块长条形钢板形成。根据受力分析结果，在受力影响比较大的区域，尽量使相邻筋板单元采用同一整块长条形钢板形成，有助于减小外力造成的影响。

结合图2所示，作为示例，根据受力分析结果，使对应于拉力及压力分布集中位置，及对应应力分布较大位置的N块筋板单元由一整块长条形钢板形成。在拉力及压力集中的位置，自然对应于筋板单元应力相对集中的位置，在此对应位置设置整块的长条形钢板，是利用成块钢板自身的稳定来减小对整体框架的变形影响。

结合图2所示，结合力的分布特点及位置特点和长条形钢板长度的限定，所述N块筋板单元通常可以为5块筋板单元；一块长条形钢板最多可以包括6块筋板单元；如图2所示，在靠近外围框架1边缘地带的筋板单元，可以使两块筋板单元共用一块长条形钢板，也可以使三块或四块筋板单元共用一块长条形钢板。

针对现有全部采用焊接连接造成框架变形大并无法保证安装平面精度的问题，作为示例，本实施方式的相邻长条形钢板之间可以通过螺栓连接。在根据受力特征确定哪些筋板单元共用同一块长条形钢板后，可以采用螺栓将相邻位置的长条形钢板固定连接在一起，螺栓连接有助于减小准直镜框架的应力变形。对于初步形成的准直镜框架，可以再次建立外围框架的筋板模型，采用力分析软件进行受力分析，据此调整不同长度长条形钢板的位置，从而达到更好的稳定性效果。

本实施方式中，由于大型系统的准直镜框架长度和宽度均会超过单幅钢板长度，因此内部筋板(2)中同一方向的筋板单元需要分段，每一段可以包括多个筋板单元，所述每一段的长度可由单幅钢板长度决定。

根据本发明所述的准直镜框架，经过仿真分析，其主要变形为竖直方向，最大变形量仅为0.33mm，总体变形较小。

综上所述，本发明采用了焊接与螺栓连接相结合的固定方式建立了准直镜框架，并结合对准直镜框架的受力分析选择筋板单元方向和尺寸，能最大限度的减小整体框架的变形，从而保证单元准直镜的拼接安装精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高精度准直镜框架，其特征在于包括：外围框架(1)和内部筋板(2)，

外部框架(1)为正多边形，外部框架(1)的边数为3的倍数；外围框架(1)内部连接内部筋板(2)，内部筋板(2)由多个筋板单元相互连接形成；

外部框架(1)的相邻边之间通过对称焊缝焊接，外部框架(1)与内部筋板(2)之间通过螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的高精度准直镜框架，其特征在于：所述内部筋板(2)由多个筋板单元形成网格式布局。

3.根据权利要求2所述的高精度准直镜框架，其特征在于：所述内部筋板(2)的每个网格为等边三角形。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的高精度准直镜框架，其特征在于：

所述外部框架(1)的每条边为一整块钢板。

5.根据权利要求4所述的高精度准直镜框架，其特征在于：所述外部框架(1)为正12边形。

6.一种高精度准直镜框架的设计方法，基于权利要求1至5中任一项所述的高精度准直镜框架实现，其特征在于包括：

根据准直镜尺寸确定准直镜外围框架(1)的尺寸，根据准直镜口径确定外围框架(1)的边数及边长；

建立外围框架(1)的筋板模型，进行受力分析，根据外围框架(1)内部应力分布确定筋板单元的方向及尺寸。

7.根据权利要求6所述的高精度准直镜框架的设计方法，其特征在于：根据受力分析结果，使按同一方向分布的N块筋板单元由一整块长条形钢板形成,N为小于或者等于6的正整数。

8.根据权利要求7所述的高精度准直镜框架的设计方法，其特征在于：根据受力分析结果，使对应于拉力及压力分布集中位置的N块筋板单元由一整块长条形钢板形成。

9.根据权利要求7或8所述的高精度准直镜框架的设计方法，其特征在于：

所述N块筋板单元为5块筋板单元。

10.根据权利要求7、8或9所述的高精度准直镜框架的设计方法，其特征在于：相邻长条形钢板之间通过螺栓连接。