[发明专利]一种自由曲面金属反射镜及其设计方法

权利要求书

1.一种自由曲面金属反射镜，其特征在于：包括圆柱形反射镜主体以及沿圆周方向均匀设置在圆柱形反射镜主体外圆上的至少三个耳座；所述圆柱形反射镜主体外圆直径为ΦD；圆柱形反射镜主体前端面为曲面；

每个耳座上均设有螺钉安装孔，每个耳座上的螺钉安装孔均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆ΦD_mid上；

每个耳座的前、后两个端面上均开设有整体呈圆弧形的柔性槽，每个耳座上的柔性槽的圆弧中心线均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆ΦD_in上；

其中，ΦD_mid＞ΦD_in＞ΦD；1.03φD≤φD_in≤1.05φD。

2.根据权利要求1所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：每个耳座的后端面与所述圆柱形反射镜主体后端面平齐。

3.根据权利要求2所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：所述柔性槽的截面为圆弧形。

4.根据权利要求3所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：每个耳座的左、右两个侧面与所述圆柱形反射镜主体的外圆表面衔接的位置为圆弧形倒角。

5.根据权利要求4所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：所述圆柱形反射镜主体和耳座的关键设计参数分别满足以下条件：

所述圆柱形反射镜主体的中心厚度为h，h的取值范围是：

所述耳座厚度为h₁，h₁的取值范围是：

所述耳座后端面与耳座后端面一侧柔性槽圆弧中心距离为h₂；h₂的取值范围是：

所述耳座后端面与耳座前端面一侧柔性槽圆弧中心距离为h₃；h₃满足以下关系式：h₃＝h₁-h₂；

所述柔性槽的截面圆弧半径为R₁，R₁的取值范围是：

所述圆弧形倒角的半径为R₂，R₂满足以下关系式：

每个耳座上的螺钉安装孔所在分度圆直径φD_mid的取值范围是：φD_in+2(R₁+φH)≤φD_mid≤φD_in+2(R₁+1.5φH)；

耳座的最外缘距离圆柱形反射镜主体的中心的最大外径为φD_out，φD_out的取值范围是：φD_mid+2φH≤φD_out≤φD_mid+3φH，其中φH为螺钉安装孔的直径。

6.根据权利要求5所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：其特征在于：圆柱形反射镜主体与至少三个耳座一体加工成型。

7.一种自由曲面金属反射镜的设计方法，其特征在于：

步骤1：将圆柱形反射镜主体和耳座的关键设计参数作为设计变量，并在有限元软件中建立自由曲面金属反射镜的初始三维模型；

所述关键设计参数包括圆柱形反射镜主体的中心厚度h、耳座厚度h₁、耳座后端面与耳座后端面一侧柔性槽圆弧中心距离h₂、耳座后端面与耳座前端面一侧柔性槽圆弧中心距离h₃、柔性槽的截面圆弧半径R₁、圆弧形倒角的半径R₂、每个耳座上的螺钉安装孔所在分度圆直径φD_mid、耳座的最外缘距离圆柱形反射镜主体的中心的最大外径为φD_out、每个耳座上的柔性槽的圆弧中心线均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆直径ΦD_in；

步骤2：设置每个关键设计参数合的理参数取值范围，且参数取值范围的设定要满足自由曲面金属反射镜三维模型外形不发生改变；

1.03φD≤φD_in≤1.05φD；

h₃＝h₁-h₂；

φD_in+2(R₁+φH)≤φD_mid≤φD_in+2(R₁+1.5φH)；

φD_mid+2φH≤φD_out≤φD_mid+3φH；

步骤3：设定网格划分原则，对自由曲面金属反射镜初始三维模型进行网格划分；

所述网格划分原则包括：

A、采用六面体8节点单元的方式划分网格；

B、根据每个耳座上的螺钉安装孔的圆心与圆柱形反射镜主体中心之间的连线将初始三维模型等分，并且确保每一等分部分的网格结构特征、数量均一致；

C、对每个耳座上的螺钉安装孔周围进行局部网格细化，使得每个耳座上的螺钉安装孔直径范围等于联结反射镜的螺栓头直径；

D、对每个耳座上的螺钉安装孔周围的局部网格细化后的节点，按照螺栓联结设置边界条件；

E、根据自由曲面金属反射镜的实际使用环境对各个网格节点施加载荷；

步骤4：将遗传算法加载至有限元软件中，并建立与网格划分后自由曲面金属反射镜初始三维模型的关系；

步骤5：向有限元软件中输入实际所需自由曲面金属反射镜的PV值、RMS值以及圆柱形反射镜主体外圆直径ΦD，从而得到实际所需自由曲面金属反射镜三维模型。