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专利号: 2022105000799
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法,其特征在于,包括:S1、建立全光路参数拓扑模型;

S2、进行拓扑优化,定义激光发射模块和光学接收模块二者的设计域、设计载荷、约束和边界条件;

S3、基于SIMP模型求解离散有限元单元的质量特征、单元刚度矩阵和节点位移;

S4、求解光路全结构函数和灵敏度,同时基于SQP优化算法进行光路设计变量的更新;

S5、进行收敛条件的判断,结果为否则返回S2,结果为是则得到最优的质量分布结果,以此作为拓扑优化结果,结束拓扑优化,建立起连续光路结构体拓扑优化模型;

S6、通过CFD数值模拟,获得运转状态下的工作载荷作为拓扑优化的优化条件,针对拓扑优化结果的质量分布建立光路结构重构模型;

S7、对光路结构重构模型进行尺寸优化分析,验证拓扑优化结果的减重和增加刚度的成果;所述S1包括:将整体结构的柔顺度为优化目标,所述优化目标是拓扑优化设计中的目标函数: ,蒙皮柔顺度为: , ,Ωs代表蒙皮整体结构;

结合有限元数值处理方法,将光路总体结构设计域离散为n个单元,将密度函数离散为一个N维向量,假设该向量为x=(x1,x2,...,xn),xi是单元i的伪密度值,伪密度值用来表述每个单元材料质量的有无,伪密度值为1代表有材料,伪密度值为0代表没有材料,将拓扑优化问题转化为:vi为单位i的体积,V为结构总体积,f为给定的体分比上限, 为待优化的单元,C表示总体柔度,K表示整体刚度矩阵,F表示整体力矢量,U表示整体位移矢量。

2.如权利要求1所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法,其特征在于,所述S3包括:采用SIMP模型,有限元离散后形成大规模0‑1规划情况,引入连续函数建立

0和1之间的映射关系,将离散问题转换为连续变量的问题,材料密度与弹性模量的关系可以表达为: ,E0表示材料完全填充时的弹性模量,p为惩罚因子,p=3。

3.如权利要求2所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法,其特征在于,所述S4包括:使用SQP梯度优化算法,根据光路器件结构和光路约束条件关于设计变量的梯度,进行迭代优化过程,应用于针对柔顺度的灵敏度分析:对KU=F方程两边关于设计变量求导得:

联立可得:

再结合SIMP插值模型,得:

Ci代表单元i对应的柔顺度,针对蒙皮柔顺度相对伪密度设计变量的灵敏度为:。

4.如权利要求3所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法,其特征在于,所述连续光路结构体拓扑优化模型分别选用光路结构柔顺度和蒙皮柔顺度作为光路结构部分拓扑优化设计的目标函数,采用相同的设计变量和约束条件;使用二次规划算法作为光路结构拓扑优化过程的优化算法,在每轮迭代都会产生新的光路结构设计变量,来作为验证柔顺度数值的输入变量,再计算柔顺度数值和灵敏度,直到满足收敛条件,最终得到连续光路结构体拓扑优化模型为:u表示单元位移矢量,V表示实际的材料体积,V*表示优化体积比,V0为整个设计域的初始设计体积,ve为优化后的单元体积,N为结构离散单元总数目,ρe是单元的密度,ρmin为单元相对密度的最小极限值。

5.如权利要求4所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法,其特征在于,望远镜主镜结构为对称结构,对全光路参数拓扑模型设置对称约束条件;

望远镜主镜的支撑孔和通光孔附近的加强筋保留,远离支撑孔的加强筋被去除;

望远镜主镜镜面节点在光轴方向上的最大位移不超过30nm,望远镜主镜的质量约束在

30%~50%,优化目标为结构的柔顺度最小化。

6.如权利要求5所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法,其特征在于,望远镜主镜和扩束镜底部使用中空直梁固定的布置方式,使用加强筋和辅助梁增加传力路径,将载荷传递到中心体位置以降低重心高度,优化望远镜主镜下方的加强筋,包括加强筋的布置、质量、柔顺度以及Z向形变四个方面。

7.如权利要求6所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法,其特征在于,微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构包括:扩束镜、激光发射器、望远镜、发射组镜、反光镜、光电倍增管、干涉滤光片和透镜;

激光发射器在扩束镜后12mm处,望远镜位于激光发射器和扩束镜的中央右侧,发射组镜在望远镜侧前方58mm处,反光镜设有两个,并列位于发射组镜前方51mm处,使发射组镜位于两个反光镜中央,望远镜后方18mm处为光电倍增管,干涉滤光片在光电倍增管后方距离

46mm处,透镜位于望远镜主镜侧后方38mm处,且处在光电倍增管的右侧。