六吋平面反射鏡片撓性支撐結構設計與實驗驗證

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劉晢彥(Zhe-Yan Liu) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

六吋平面反射鏡片撓性支撐結構設計與實驗驗證
(Design and Experimental Validation of Flexure Mounts for a Six-Inch Flat Mirror)

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摘要(中)

本研究針對太空中心現有兩種不同之平面反射鏡撓性支撐結構設計進行實驗與有限元素模擬，藉以了解兩者在溫度變化(22 °C~40°C)下對反射鏡造成的影響差異，並且進一步針對撓性支撐結構進行最佳化。實驗共分為兩個部份，包含光彈儀量測與干涉儀量測，兩種實驗皆以有限元素模擬進行比對驗證。光彈儀量測實驗主要觀察溫度變化下兩種撓性支撐機構設計將應力傳遞至反射鏡之影響程度；干涉儀實驗則觀察溫度變化下，兩種撓性支撐設計對平面反射鏡光學面形變化之影響。最佳化設計分析部份則是使用多島基因演算法將兩種設計中干涉儀實驗結果較佳之設計進行尺寸最佳化，期望能進一步降低溫度差對反射鏡造成的影響。最終結果為保有較多切向自由度撓性設計，於所搭接之介面溫度變化(22 °C~40°C)下較能維持反射鏡之光學品質。在底板溫度為40 °C下，有限元素模擬之最佳化結果成功將鏡面面形變形量峰谷值(Peak-to-Valley)由34.42 nm下降至16.00 nm。

摘要(英)

In this study, two optical measurements were adopted to compare the opto-mechanical performance of two flexure designs for a flat mirror in the NSPO (National Space Organiztion). In order to obtain the stress effect and optical performance of the mirror under temperature fluctuation, the photoelasticity and the interferometric measurement were conducted in this study, and both of them will be validated by using finite element analysis. Furthermore, the optimization of one of the flexure mount design has been accomplished by using the Multi-Island Genetic Algorithm. The result of interferometric measurement shows that flexure design which retains more tangential freedom can maintain better optical quality of the flat mirror under temperature fluctuation. And after optimization, its optical PV (peak-to-valley) value under 40 °C reduced from 34.42 nm to 16.00 nm.

關鍵字(中)

★ 撓性支撐結構
★ 有限元素分析
★ 最佳化設計
★ 光彈儀
★ 干涉儀

關鍵字(英)

★ Flexure
★ Finite Element Analysis
★ Optimization
★ Photoelasticity
★ Interferometer

論文目次

摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
表目錄 xiii
第一章、緒論 1
1-1研究背景 1
1-2文獻回顧 1
1-2-1反射鏡撓性支撐結構 1
1-2-2最佳化設計與分析 4
1-2-3光彈應力分析 5
1-3研究目的 7
第二章、理論基礎 8
2-1光彈原理 8
2-1-1應力-光學定律 8
2-2光機轉換 9
2-2-1光學曲面變形分析 9
2-2-2　Zernike多項式 12
2-3最佳化理論 14
2-3-1最佳化演算法 14
2-4實驗用光彈儀介紹 15
2-5實驗用干涉儀介紹 16
第三章、反射鏡撓性支撐結構光彈儀實驗與模擬驗證 18
3-1反射鏡規格與撓性支撐架構介紹 18
3-2光彈儀實驗原理與架構 20
3-2-1光彈儀實驗治具與組裝流程 20
3-2-2三次元量床量測與校正 23
3-2-3反射鏡與ISM之膠合流程 27
3-2-4光彈儀實驗流程 28
3-3光彈儀實驗結果 31
3-4有限元素分析設定 34
3-5 TYPE-1 ISM光彈儀實驗與模擬結果比對 39
3-6 TYPE-2 ISM光彈儀實驗與模擬結果比對 40
3-7 結果與討論 41
第四章、反射鏡撓性支撐結構干涉儀實驗與模擬驗證 42
4-1干涉儀實驗原理與架構 42
4-1-1干涉儀實驗治具與組裝流程 45
4-2干涉儀實驗流程 46
4-3干涉儀實驗結果 50
4-4有限元素分析設定 52
4-5 TYPE-1 ISM干涉儀實驗與模擬結果比對 57
4-6 TYPE-2 ISM干涉儀實驗與模擬結果比對 59
4-7結果與討論 61
第五章、反射鏡撓性支撐結構最佳化設計 62
5-1最佳化軟體 62
5-2最佳化流程 62
5-3 反射鏡撓性支撐結構初始設計 63
5-4 反射鏡撓性支撐結構初始設計有限元素模擬與分析 64
5-5 反射鏡撓性支撐結構靈敏度分析 67
5-6 反射鏡撓性支撐結構最佳化設計分析 69
5-7 結論 75
第六章、結論及未來工作 76
6-1結論 76
6-2未來工作 76
參考文獻 77
附錄 80
附錄A 光彈儀實驗TYPE-1 ISM量測照片 80
附錄B 光彈儀實驗TYPE-2 ISM量測照片 81
附錄C 光彈儀實驗TYPE-1 ISM有限元素模擬應力分布 82
附錄D 光彈儀實驗TYPE-2 ISM有限元素模擬應力分布 86

參考文獻

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指導教授

陳怡呈(Yi-Cheng Chen)

審核日期

2022-6-15

推文