支撑结构设计论文

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1支撑结构设计

1．1支撑方式和支撑点选择

由于相机采用全反射光学系统，反射镜的背部不参与光束传输，因此，常采用刚度较高的背部支撑方式。

1．2柔性支撑结构设计

在主镜支撑结构上减弱了个别方向上的刚度，引入了一定的柔性，以此来抵消反射镜由于温度变化产生的热应力和微小变形。柔性铰链被广泛应用于支撑结构的柔性设计领域，其具有无机械摩擦、结构简单、释放自由度和灵敏度高等特点。柔性铰链通过在某一方向上切开一个柔性槽，以降低该方向上的刚度，体现其柔性，使其能够产生微小变形，释放热应力，只存在一个柔性槽的柔性铰链被称为单向柔性铰链，而在一般情况下，往往将多个柔性槽成组使用，即可实现在多方向上的柔性，达到释放多个自由度的目的，将其称之为多层柔性铰链。由于主镜采用背部3点支撑方式，在反射镜长度方向上对称分布支撑点位置，基于半运动学安装定位原理，每个柔性支撑结构需要约束两个方向的自由度，因此，采用3层组合式柔性铰链，释放4个方向的自由度，参考Bipod双脚架设计原理，设计柔性支撑结构，其分为两个部分，上部分与反射镜支撑孔粘接，下部分与支撑背板连接，上下两部分通过螺钉连接。3个柔性铰链对心安装，便可以恰好约束镜体6个方向的自由度，又不会因为过定位产生装配应力。支撑背板的作用是固定连接3个柔性支撑结构，将反射镜固定安装在框架指定位置，因此采用高强度的加强筋与薄壁组合的结构形式，组成多个结构封闭的四边形单元，以达到支撑背板高刚度的的要求。对比材料各项性能指标，综合考虑力学性能、热性能、对空间环境的适应性以及加工工艺性等因素，选用线胀系数经过特殊匹配的Invar作为反射镜柔性支撑结构的材料，采用比刚度高、导热性好、线胀系数低的高体份SiC/Al复合材料作为支撑背板的材料。

2镜体轻量化设计

在反射镜背部，布置一系列形状规则的三角形轻量化孔，具有轻量化率较高、刚度好、“网格效应”低、加工制造工艺成熟等优点。为确定主镜镜体最优的结构尺寸，在反射镜刚度最大和质量最小之间取得最佳平衡，需要对镜体进行优化设计。首先建立反射镜的有限元模型，分析其在1g重力作用下的变形，并提取镜面最大变形结果，生成优化过程中所需要的分析文件，然后，选择优化处理器，确定目标函数为反射镜质量最小，状态变量为1g重力作用下的镜面最大变形结果，设计变量为反射镜结构尺寸参量，选择背部3点支撑约束，指定优化方法及循环控制方式，便可以进行优化分析。但是，在主镜结构优化设计过程中，影响反射镜镜体质量和刚度的结构参量有很多，若都进行优化设计，会使设计变量增多，迭代次数增加，运算效率降低，甚至导致无法收敛。由于各结构尺寸的影响程度各不相同，可以首先分析各参量对镜体质量和1g重力条件下镜面最大变形量的影响。因此，在进行结构优化分析之前，先确定影响较小的结构尺寸参量，降低计算规模，再对影响较大的结构尺寸参量进行多变量优化。

3反射镜组件有限元分析

对经过分析和优化设计后的主镜组件进行有限元分析，在建立结构的有限元模型时，以六面体Hex6单元为主，以提高分析精度和效率。利用有限元分析软件，分析得到主镜组件在重力和温度影响下的变化结果，Fig.8Thefirst-orderfrequencyofprimarymirror由分析结果可以看出，主镜组件在重力和温度变化作用下，表征面形变化的PV值和均方根(rootmeansquare，RMS)值，以及表征位置变化的位移值和转角值均能满足设计要求，1阶频率为80．03Hz，满足卫星对载荷特征频率大于60Hz的要求，因此，主镜组件结构具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。

4力学振动试验

为了验证上述有限元分析结果的正确性，以及对实际加工装配后的主镜组件结构的稳定性有一个客观评价，对主镜进行了1g正弦扫频试验，测试结构的实Fig.9Vibrationtestofprimarymirror际模态，如图9所示。振动响应曲线如图10所示，纵坐标表示对测点加速度响应值Ma求以10为底的对数。从响应曲线可以看出，主镜组件的实际1阶频率为73．06Hz，动态刚度较高，且与有限元分析误差不到10%，说明了有限元分析结果精度较高。Fig.10Responsecurveof1gsinusoidalvibration

5结论

结合自由度理论和柔性铰链原理，完成了主镜支撑方式和柔性支撑结构的设计，利用参量化建模方法，完成了镜体的轻量化设计与优化。最后，进行了相应的有限元分析，分析结果显示，组件具有较好的力学和热学性能，1阶频率较高，说明主镜组件镜体轻量化及柔性支撑结构设计合理，满足设计要求。

作者:李畅何欣单位:中国科学院