支撑结构设计论文
支撑结构设计论文 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.10R esponsecurveof1gsinusoidalvibration 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