導(dǎo)語：支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．1支撐方式和支撐點選擇

由于相機采用全反射光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡的背部不參與光束傳輸，因此，常采用剛度較高的背部支撐方式。

1．2柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

在主鏡支撐結(jié)構(gòu)上減弱了個別方向上的剛度，引入了一定的柔性，以此來抵消反射鏡由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力和微小變形。柔性鉸鏈被廣泛應(yīng)用于支撐結(jié)構(gòu)的柔性設(shè)計領(lǐng)域，其具有無機械摩擦、結(jié)構(gòu)簡單、釋放自由度和靈敏度高等特點。柔性鉸鏈通過在某一方向上切開一個柔性槽，以降低該方向上的剛度，體現(xiàn)其柔性，使其能夠產(chǎn)生微小變形，釋放熱應(yīng)力，只存在一個柔性槽的柔性鉸鏈被稱為單向柔性鉸鏈，而在一般情況下，往往將多個柔性槽成組使用，即可實現(xiàn)在多方向上的柔性，達(dá)到釋放多個自由度的目的，將其稱之為多層柔性鉸鏈。由于主鏡采用背部3點支撐方式，在反射鏡長度方向上對稱分布支撐點位置，基于半運動學(xué)安裝定位原理，每個柔性支撐結(jié)構(gòu)需要約束兩個方向的自由度，因此，采用3層組合式柔性鉸鏈，釋放4個方向的自由度，參考Bipod雙腳架設(shè)計原理，設(shè)計柔性支撐結(jié)構(gòu)，其分為兩個部分，上部分與反射鏡支撐孔粘接，下部分與支撐背板連接，上下兩部分通過螺釘連接。3個柔性鉸鏈對心安裝，便可以恰好約束鏡體6個方向的自由度，又不會因為過定位產(chǎn)生裝配應(yīng)力。支撐背板的作用是固定連接3個柔性支撐結(jié)構(gòu)，將反射鏡固定安裝在框架指定位置，因此采用高強度的加強筋與薄壁組合的結(jié)構(gòu)形式，組成多個結(jié)構(gòu)封閉的四邊形單元，以達(dá)到支撐背板高剛度的的要求。對比材料各項性能指標(biāo)，綜合考慮力學(xué)性能、熱性能、對空間環(huán)境的適應(yīng)性以及加工工藝性等因素，選用線脹系數(shù)經(jīng)過特殊匹配的Invar作為反射鏡柔性支撐結(jié)構(gòu)的材料，采用比剛度高、導(dǎo)熱性好、線脹系數(shù)低的高體份SiC/Al復(fù)合材料作為支撐背板的材料。

2鏡體輕量化設(shè)計

在反射鏡背部，布置一系列形狀規(guī)則的三角形輕量化孔，具有輕量化率較高、剛度好、“網(wǎng)格效應(yīng)”低、加工制造工藝成熟等優(yōu)點。為確定主鏡鏡體最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸，在反射鏡剛度最大和質(zhì)量最小之間取得最佳平衡，需要對鏡體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。首先建立反射鏡的有限元模型，分析其在1g重力作用下的變形，并提取鏡面最大變形結(jié)果，生成優(yōu)化過程中所需要的分析文件，然后，選擇優(yōu)化處理器，確定目標(biāo)函數(shù)為反射鏡質(zhì)量最小，狀態(tài)變量為1g重力作用下的鏡面最大變形結(jié)果，設(shè)計變量為反射鏡結(jié)構(gòu)尺寸參量，選擇背部3點支撐約束，指定優(yōu)化方法及循環(huán)控制方式，便可以進(jìn)行優(yōu)化分析。但是，在主鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，影響反射鏡鏡體質(zhì)量和剛度的結(jié)構(gòu)參量有很多，若都進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，會使設(shè)計變量增多，迭代次數(shù)增加，運算效率降低，甚至導(dǎo)致無法收斂。由于各結(jié)構(gòu)尺寸的影響程度各不相同，可以首先分析各參量對鏡體質(zhì)量和1g重力條件下鏡面最大變形量的影響。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析之前，先確定影響較小的結(jié)構(gòu)尺寸參量，降低計算規(guī)模，再對影響較大的結(jié)構(gòu)尺寸參量進(jìn)行多變量優(yōu)化。

3反射鏡組件有限元分析

對經(jīng)過分析和優(yōu)化設(shè)計后的主鏡組件進(jìn)行有限元分析，在建立結(jié)構(gòu)的有限元模型時，以六面體Hex6單元為主，以提高分析精度和效率。利用有限元分析軟件，分析得到主鏡組件在重力和溫度影響下的變化結(jié)果，F(xiàn)ig.8Thefirst-orderfrequencyofprimarymirror由分析結(jié)果可以看出，主鏡組件在重力和溫度變化作用下，表征面形變化的PV值和均方根(rootmeansquare，RMS)值，以及表征位置變化的位移值和轉(zhuǎn)角值均能滿足設(shè)計要求，1階頻率為80．03Hz，滿足衛(wèi)星對載荷特征頻率大于60Hz的要求，因此，主鏡組件結(jié)構(gòu)具有較好的力學(xué)適應(yīng)性、溫度適應(yīng)性和動態(tài)剛度。

4力學(xué)振動試驗

為了驗證上述有限元分析結(jié)果的正確性，以及對實際加工裝配后的主鏡組件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有一個客觀評價，對主鏡進(jìn)行了1g正弦掃頻試驗，測試結(jié)構(gòu)的實Fig.9Vibrationtestofprimarymirror際模態(tài)，如圖9所示。振動響應(yīng)曲線如圖10所示，縱坐標(biāo)表示對測點加速度響應(yīng)值Ma求以10為底的對數(shù)。從響應(yīng)曲線可以看出，主鏡組件的實際1階頻率為73．06Hz，動態(tài)剛度較高，且與有限元分析誤差不到10%，說明了有限元分析結(jié)果精度較高。Fig.10Responsecurveof1gsinusoidalvibration

5結(jié)論

結(jié)合自由度理論和柔性鉸鏈原理，完成了主鏡支撐方式和柔性支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計，利用參量化建模方法，完成了鏡體的輕量化設(shè)計與優(yōu)化。最后，進(jìn)行了相應(yīng)的有限元分析，分析結(jié)果顯示，組件具有較好的力學(xué)和熱學(xué)性能，1階頻率較高，說明主鏡組件鏡體輕量化及柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足設(shè)計要求。

作者:李暢何欣單位:中國科學(xué)院