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应用权重计算方法的光学遥感器材料间匹配性研究
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  • 更新时间:2017-01-12
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  • 高精密 的光学仪器 ,无论是在太空 中工作 的空间光学遥感器 ,还是地面上应用于光学加工中小型的光学补偿器 ,对光学元件的表面形状以及光学元件之 间的相对位置都有很高的要求 ;尤其是空间光学遥感器 ,其工作环境的特殊性 ,即在太空微重力条件和复杂的热环境下工作 ,工作时与地面装调时不同的环境条件对遥感器结构 的稳定性提 出了很高的要求 ,结构的稳定性是相机成像质量的关键 ,需要在结构设计 中重点考虑[1-3]。

    在结构设计过程 中,需要对各个不同零件的材料进行选择 ,由于材料间性能的差异及使用者 的不同要求 ,不可能所有零件都采用同-种材料 ,所 以在设计 的过程中还要考虑不同零件材料 间的匹配性 ,因为即使选择的材料具有高的比刚度 ,高的热稳定性 ,但如果相互连接的各零件材料匹配性差 ,-样得不到理想的设计效果。就笔者所查找的文献 中,尚无研究人员明确发表有关材料之 问匹配关系的文章 ,目前结构设计人员选择材料主要是依靠设计者的经验或者单-考虑某-方面的匹配性 ,从而带来片面性 ,尤其是经验不足的年轻设计人员 ,很容易出现设计 的产品达不到预期 目的而出现返工的现象。材料的匹配性关乎空间遥感器在结构性能上是否具有高的动静态刚度 ,在热性能上是否具有好的温度均匀性,以及对空间热环境及微重力环境是否具有很好的适应能力 ,国外在遥感器的制作过程 中,也极其注意考虑材料匹配性 ,美国EO-1 ALlopfical subsystem 曾把除光学反射镜 以外 的结 构件全部用低 膨胀合金(殷钢)来制造 ,以此来保证极优的材料匹配性能 ,但目前国内光学遥感器普遍追求长焦距 、高分辨率 、大视场 ,导致遥感器体积很大,从 而决定 了不能全部采用密度是其 它结构材料密度 2-3倍 的低膨胀合金 ,光学遥感器的各种支撑结构应根据需要选择不同材料 ,而每种材料之间都有不 同的属性 ,设计者需要使所选用材料达到最优的匹配。文中结合 目前国内光学遥感器工程项 目选材原则 ,研究了空间常用的光学材料和结构材料,对各种材料的各项性能进行了系统的分析 ,并对不 同材料零件构成组件的匹配性进行了计算 ,经过对 比已经成功在轨运行 的遥感器 ,其材料的选择与计算结果完全相同。

    1 材料匹配性分析1.1 匹配方程的建立材料匹配性的计算 ,指导思想是综合考虑材料的各种参数 ,分别对相匹配材料的同种或相关参数进行对 比,其值相同或接近为优 ;同时根据不同的用途,对材料的不 同参数赋以不 同的权值,从而实现材料的最优匹配。依据以上思想 ,得出匹配方程(1),即经过计算求得相匹配材料的匹配关系厂( ,Y ),再根据方程(2)得出匹配因子 P 。

    f(xi,Yi w (I鬻 f) (1)Pfl-f(x ,Yf) (2)式 中:W 为权重系数 。

    分析计算出的匹配因子值 P。(0≤ ≤1),依据工程中使用经验 ,如果 P ≥0.5,则相匹配材料的匹配度好 ;如果 P ≤O.5,则相匹配材料的匹配度差,不宜选用。

    1.2 权重系数 W 的计算权重系数 的计算基于德尔菲(Delphi)法 与层 次法结合 的方法 ,这种方法的原理是 :当很多参数需要评价时,需要准确判断不同参数的重要程度 ,根据:不同的参数对 目标影响的程度进行两两对 比,得到始权数 ,形成对 比矩阵,最终通过-系列计算后得到权重值瞄 。不同参数两两之间的比较尺度 a 的规则含义如表 1所示 。

    表 1比较尺度 a 的规则含义Tab.1 Signification of comparison scale an1392,4,6,81,1/2,··-1/9Xi and xj get the same impact on overal goalXi gets slightly larger impact than而Xi gets larger impact than 而X gets significantly larger impact than x1Xi gets extremely larger impact than 而The impact is between the adjacent levelThe impact between xj and Xi is the reciprocal of a红外与激光工程 第 42卷对于材料的 n个性能品质参数 x ,x2,x ,两两相比较 的结果如表 2所示。

    表 2材料品质参数比较矩阵表Tab.2 Comparison matrix of materials properties由表 2可以得出较矩阵A。

    Aall a12a21 日anl 口 日h 口 口m式中:afl,ao1/aji。

    假设在矩阵A 中做两两比较时,令 W 为第 i个指标 的重要程度, 为第 个指标的重要程度 ,a 为第 i个指标相对于第 个指标的重要程度 比值 ,即:aow /w, (3)根据该矩阵求权向量的值 ,求法通常有和法、根法 、特征根法和最小平方法等m,这里采用特征根法。

    令各组成元素对 目标的特征向量为 :W(w1,W2, ,W ) (4)如果有∑Wil,并且矩阵A满足:i1aijaik i,J,kl,2,,n (5)则 A为-致性矩阵,对应于特征根 n并归-的特征向量表示各 因素对 目标的权重 ,该向量 W 为权向量,且 W 满足:AW入-W (6)则 W 的分量(W。,W ,, )就是对应于 r1个 因素的权重系数。由此矩阵计算出的特征向量经归-化得到的权 向量为 :W(wl,W2, ,W ) (7)依照算公式(3)~(7)可以得出权重因子向量。

    2材料匹配性实例计算2.1 材料性能参数为说明匹配因子方法在工程实践中选择材料 的指导性 ,实例特意选择了对材料性能要求很高的空间光学遥感器 ,考虑到空间遥感器所具有的环境特点,在光学遥感器 的光机结构材料选择 中,将材料的力学性能和热性能作为主要研究对象。下面分别从力和热两方面对材料进行分析。

    力学性能方面 :着重考虑比刚度。其定义为材料的弹性模量与密度 的比值,即 E/p,弹性模量越高 ,密度越低 ,比刚度越高,材料 的力学性能越好。

    材料热性能方面:主要考虑材料的比热容 、热膨胀系数及导热系数这三项对光学成像影响较大的因素,其中最为设计者关心的是热膨胀系数及导热系数,在材料的选择上 ,最期望的空间材料应具有高导热低热胀系数。定义材料的热稳定性为 A/a,其 比值越大 ,热稳定越好 ,材料的热适应性越好 。

    针对空间材料需要考虑的 5种性能进行分析 ,即密度 、弹性模量 、导热率 、线胀系数和热扩散率(见表 3和表 4)。

    表 3光学材料性能参数表Tab.3 Properties of optical materials. Elastic H,eat. Therrf1.al ThermalN0.- diffusivityTab.4 Properties of structural materials№ riElasticsHeat蔫Thermal Thermal4 4J32LOWvolume5 fractionAl/SiC(LVF)Highvolume6 fractionA1/SiC(HVF)2 710 697 810 2004 440 1148 100 141167 22.5 687.748 11.6 133.67.4 9.1 27.313 7 2.4 30.23 000 180 225 8 l 048.9M1 2 3 第 1期 刘 强等 :应 用权 重 计 算 方 法 的 光 学遥 感 器材 料 间 匹配 性研 究2.2 匹配性计算需要对空间材料所关注的上述 5个参数进行权重计算。令 5个参数分别为 , ,托,在反射镜和镶嵌件之间主要关心的是线胀系数 的匹配和结构的变形 ,依据材料的实际使用特点 ,按照层次法规则将上述各参数赋值。文中选择了两组赋值方法,第-组赋值方法参考了空间环境下空间相机的要求 ,第二组作为第-组的对 比。

    第-组 :首先 确定 初始权数 ,依 照航天相机设计时着重考 虑结构的刚性和材料受 热线膨胀 系数匹配的特点 ,依表 1所述 比较规则将弹性模量 E赋为 x23,线 胀 系数 OL赋 为 x45,将密 度 P,导热 率入,热扩散率 D均赋为 l,即有 X x3xsl,由此按照表 2规则将 5个参数间进行重要程度 比较 ,得到 比较矩阵A。

    A1 1/33 11 1/35 5/31 1/31 1/5 13 3/5 31 1/5 15 l 51 1/5 1依据 算公式(3)~(7)进行 计算 ,最后 得 出权 向量结果为 : (w1,W2,,W ) (0.091,0.273,0.091,0.454,0.091)第二组 :确定初始权数 ,着重考虑结构的刚性和材料热性能匹配 ,同样依表 1所述 比较规则将弹性模 量 E赋为 x23,密度 P赋为 l,将线胀系数 ,导热率 A,热扩散率 D均赋为 4,即有 托知:托4,由此按照表 2规则将 5个参数间进行重要程度 比较 ,得到比较矩阵 曰。

    1 1/4 1/4 1/4 1/34 1 1 1 4/3l 4 l l 1 4/3 lJ 4 1 l l 4/3 i1 3 3/4 3/4 3/4 1 l计 算 得 出 :(w1,W2, ,w (0.062,0.250,0.250,0.188)To计算求解出权向量后 ,将权 向量作为权重系数带人公式(1)及公式(2),求解出光学材料与结构材料之 间匹配因子 ,第-组赋值计算结果如表 5所示 ,第二组赋值计算结果如表 6所示 。

    表 5按第-组赋值光学和结构材料匹配性因子表Tab.5 Matching factors of optical and structuralmaterials according to the first team表 6按第二组赋值光学和结构材料匹配性因子表Tab.6 M atching factors of optical and structuralmaterials according to the second team计算结果分析 :重点考虑材料的刚性和材料受热线膨胀系数匹配时,即第-组赋值计算结果 :SiC与 4J32,A1与低体份 A1/SiC(LVF),Be与高体分 AI/SiC(HVF)以及 Si与 4J32均有 P >0.5,说 明这几种配对材料的匹配度比较好 ,在设计时优先选用 ;而 Zerodur及 ULE对表中所列的结构材料匹配 因子均有 P <0.5,匹配度很低 ,不太适宜与这些结构材料匹配。

    当重点考虑材料 的刚性和材料热性能匹配时 ,即第二组赋值计算结果 :SiC与高体分 A1/SiC,A1与低体份 A1/SiC,Be与高体分 A1/SiC以及 Si与高体分A1/SiC均有 Pf>0.5,匹配度 比较好 ;Zerodur及 ULE对表 中所列 的结构材料匹配因子均有 P <0.5,匹配度很低 ,不适宜与这些常用的空间结构材料相匹配。

    由上述分析可知 ,依据材料匹配性计算结果 ,在反射镜材料选择时,SiC、AI、Be和 Si这几种材料都可 以做为首选 ,当进-步选择时 ,需要进-步综合考虑这几种材料的 自身品质性能的优势对 比来进行反射镜镜体材料的选择(见表 7)。

    2l0 红外与激光工程 第 42卷表 7反射镜相关材料的性能系数表 ”Tab.7 Performance parameters of mirror materials分析表中数据 ,可以很 明显 的对 比出,在空间遥感相机常用 的反射镜备选材料 中,SiC材料和 Be材料的各项性能都要好于其他材料 ,其中 Be材料的变形相关性能和质量相关性能高于 SiC,但是热性能远差于 SiC,因此设计者在选材时可以依据需求选择镜体材料 ,但考虑到 Be材料的毒性 ,在航空航天应用上 ,反射镜选用 SiC材料的占绝大多数。

    计算完反射镜和其镶嵌件的匹配 因子后 ,继续计算结构材料之问的匹配因子(见 表 8、表 9),并 以此来选择连接件、背板 、框架等结构的材料。

    表 8按第-组赋值得出结构材料之间匹配因子表Tab.8 Matching fact0rs of structural materialsaccording to the first team表 9按第二组赋值得出结构材料之间匹配因子表Tab.9 Matching factors of structural materialsaccording to the second team结果分析 :(1)重点考虑材料的刚性和材料受热线膨胀系数匹配时,结构材料之间匹配计算结果如表 7所示 :Al与低体 份 A1/SiC,45钢 与高体分 A1/SiC、TC4与高体分 A1/SiC以及 TC4与 4J32均有 P >0.5,说明这几种配对材料的匹配度比较好 ,在设计时优先考虑;(2)按照第二组赋值原则 ,即着重考虑材料的热性能 ,包括导热率 、线胀系数和热扩散率的条件下结构材料里可以得出几个 比较理想的配对材料 ,如 A1和低体分 AI/SiC材料的匹配度 P产O.883,高体分 AI/SiC材料和低体分 AI/SiC材料的匹配度pi0.743,4J32材料 和 TC4材料的匹配度 P产0.726,很适宜作为相匹配的结构材料。

    2.3 匹配性计算在工程中的应用由于空间光学遥感器重点考虑材料的刚性和材料受热线膨胀系数匹配 ,因此取第-组赋值规则来举例说 明匹配性计算在工程 中的应用 。如果选择SiC作为反射镜的材料 ,根据计算结果 ,选择了 4J32材料与反射镜镶嵌 ,P- 0.661>0.5;与殷钢 4J32连接零件可以选择 自身或除 自身外与其匹配最好 的TC4材料( -T℃40.648>0.5),与 TC4材料连接零件选择 自身或除 自身外与其匹配最好的高体份 A1/SiC材料(pTC4- 。 0.721>0.5),匹配度较好。

    根据材料 匹配计算结果,某型号 已成功运行的空间遥感器选材时,反射镜材料选用 SiC,反射镜组件 中与反射镜匹配 的镶嵌件选择了殷钢 4J32材料 ,考虑到性能与质量最优要求 ,与殷钢 4J32匹配 的连接件选择 了 TC4材料 ,承力三角板选 择了高体份A1/SiC材料 ,主框架体选择了低体份 A1/SiC材料(由于无法制备大尺寸的高体份材料 ,所以选择低体份材料做为框架),结合匹配性计算结果可以看出:此空间项 目选择的材料在重点考虑材料的刚性和材料线膨胀系数匹配的条件下 ,为最优选择。其能成功在太空中运行,说 明了其选材 的正确性 ,也证明了匹配计算的可行性。

    3 结 论文中创新的提出了用匹配因子衡量光机结构材料匹配性 的方法 ,综合考虑空间光学遥感器常用材料的各项性能 ,设计者根据环境因素等对光机结构第 1期 刘 强等 :应用权 重计算方法的 光学遥感器材料 间匹配性研 究 21l提出的要求 ,对材料关心的性能增加 了权重因子 ,得到了光学材料和结构材料间的匹配因子及结构材料和结构材料间的匹配因子 ,对各种材料匹配性能进行 了分析 ,不同用途赋予不 同的权重系数 ,提 出了匹配度的概念,利用匹配度来选择材料 ;由于结构设计者可以在设计过程中根据遥感器 的用途和关心的性能改变权重因子 ,因此匹配因子选择材料的方法比较 明确 、直观 ,且能将材料 的各种性能包含进来统筹考虑 ,对空间光学遥感器的结构设计及热设计具有- 定的指导意义 ,在航空航天结构设计的研究领域具有 比较广泛的应用前景 。

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