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1支撐結構設計

1．1支撐方式和支撐點選擇

由于相機采用全反射光學系統，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柔性支撐結構設計

在主鏡支撐結構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生的熱應力和微小變形。柔性鉸鏈被廣泛應用于支撐結構的柔性設計領域，其具有無機械摩擦、結構簡單、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，體現其柔性，使其能夠產生微小變形，釋放熱應力，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，即可實現在多方向上的柔性，達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，基于半運動學安裝定位原理，每個柔性支撐結構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雙腳架設計原理，設計柔性支撐結構，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生裝配應力。支撐背板的作用是固定連接3個柔性支撐結構，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構形式，組成多個結構封閉的四邊形單元，以達到支撐背板高剛度的的要求。對比材料各項性能指標，綜合考慮力學性能、熱性能、對空間環境的適應性以及加工工藝性等因素，選用線脹系數經過特殊匹配的Invar作為反射鏡柔性支撐結構的材料，采用比剛度高、導熱性好、線脹系數低的高體份SiC/Al復合材料作為支撐背板的材料。

2鏡體輕量化設計

在反射鏡背部，布置一系列形狀規則的三角形輕量化孔，具有輕量化率較高、剛度好、“網格效應”低、加工制造工藝成熟等優點。為確定主鏡鏡體最優的結構尺寸，在反射鏡剛度最大和質量最小之間取得最佳平衡，需要對鏡體進行優化設計。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果，生成優化過程中所需要的分析文件，然后，選擇優化處理器，確定目標函數為反射鏡質量最小，狀態變量為1g重力作用下的鏡面最大變形結果，設計變量為反射鏡結構尺寸參量，選擇背部3點支撐約束，指定優化方法及循環控制方式，便可以進行優化分析。但是，在主鏡結構優化設計過程中，影響反射鏡鏡體質量和剛度的結構參量有很多，若都進行優化設計，會使設計變量增多，迭代次數增加，運算效率降低，甚至導致無法收斂。由于各結構尺寸的影響程度各不相同，可以首先分析各參量對鏡體質量和1g重力條件下鏡面最大變形量的影響。因此，在進行結構優化分析之前，先確定影響較小的結構尺寸參量，降低計算規模，再對影響較大的結構尺寸參量進行多變量優化。

3反射鏡組件有限元分析

對經過分析和優化設計后的主鏡組件進行有限元分析，在建立結構的有限元模型時，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果，Fig.8Thefirst-orderfrequencyofprimarymirror由分析結果可以看出，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角值均能滿足設計要求，1階頻率為80．03Hz，滿足衛星對載荷特征頻率大于60Hz的要求，因此，主鏡組件結構具有較好的力學適應性、溫度適應性和動態剛度。

4力學振動試驗

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

5結論

結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構的設計，利用參量化建模方法，完成了鏡體的輕量化設計與優化。最后，進行了相應的有限元分析，分析結果顯示，組件具有較好的力學和熱學性能，1階頻率較高，說明主鏡組件鏡體輕量化及柔性支撐結構設計合理，滿足設計要求。

作者:李暢何欣單位:中國科學院