【正文】 ..................27 柔性支撐輕量化 .....................................................................................29 主鏡組件設計仿真結果 .........................................................................31 靜力學分析 .............................................................................................31 熱彈性分析 .............................................................................................36 力熱耦合分析 .........................................................................................37 主鏡組件設計結果分析 .........................................................................38 靜力學結果分析 .....................................................................................38 熱彈性結果分析 .....................................................................................39 力熱耦合結果分析 .................................................................................39第 4 章 遙感器主鏡支撐結構動力學分析 ........................................40 有限元動力學模型 .................................................................................41 主鏡組件的動態(tài)剛度 .............................................................................41 計算結構模態(tài)的原因 .............................................................................42 結構模態(tài)的理論基礎 .............................................................................42 有限元模態(tài)分析結果 .............................................................................43 正弦周期振動分析 .................................................................................45 正弦周期振動 .........................................................................................45 正弦振動試驗條件 .................................................................................45 正弦振動響應的評價指標 .....................................................................46 有限元分析結果 .....................................................................................46 隨機響應分析 .........................................................................................47 隨機振動 .................................................................................................47 隨機振動試驗條件 .................................................................................48 隨機振動響應評價指標 .........................................................................49 有限元分析結果 .....................................................................................49 主鏡組件動力學結果分析 .....................................................................49 動態(tài)剛度結果分析 .................................................................................49 正弦掃描響應結果分析 .........................................................................49 隨機振動響應結果分析 .........................................................................50第 5 章 結論 ........................................................................................51參考文獻 ................................................................................................521第 1 章 緒論航天光學遙感技術的研究已經(jīng)開展了三十多年，隨著遙感數(shù)據(jù)應用的不斷深入。4. 小型、輕量、低功耗。近年來空間遙感器發(fā)展的以下趨勢 [6]：1. 高分辨力：為了能獲取更加清晰的圖像，必須提高遙感器的分辨力。美國第六代遙感器的通光孔徑為 ，整個系統(tǒng)的長度為 13m。由于遙感器在太空中處于微重力狀態(tài)下工作，光學元件間的相互位置將發(fā)生變化，也就影響光學系統(tǒng)成像質量。3. 加速度加速度是遙感器在發(fā)射過程中經(jīng)受的又一重要的動力學環(huán)境。 ]1[ 本文主要研究內容本文對某遙感器的主鏡支撐結構進行優(yōu)化設計，其主鏡為長圓形。 有 限 元 法 源 于結 構 力 學 ， 又 勝 于 結 構 力 學 ， 在 短 短 的 三 十 多 年 時 間 里 ， 已 經(jīng) 得 到 了 飛 速 的 發(fā)展 ， 其 應 用 也 從 最 初 的 航 空 、 航 天 拓 寬 到 工 程 的 各 個 領 域 。在工程設計初期或方案論證期間，有限元分析法是可行性論證的有力手段；在工程項目進展階段，它又是優(yōu)化設計的優(yōu)選工具。 光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)通常是指由光學透鏡或反射鏡組成，光學系統(tǒng)能對一定距離的物體成像，它是整個遙感遙感器完成任務的關健。同時，遙感器也是靠支撐結構來保持一個整體結構。表 21 主鏡外形尺寸表光學設計尺寸（mm）設計尺寸（mm）最大外形厚度（ mm）毛坯質量(Kg)輕量化后質量(Kg)輕量化率231142 248160 %為盡量減少相機整機質量，主反射鏡采用的輕量化結構。 177。柔性連接件指的是反射鏡和鏡框之間的連接部分，是柔性結構。一方面必須采取有效的熱隔離、熱均勻、主動加熱或致冷等綜合熱控措施，盡量使主鏡組件具有恒定的溫度水平和很低的溫度梯度，另一方面支撐結構設計要盡可能屏蔽溫度對反射鏡變形的影響。在主鏡組件的設計中，要求對其進行靜力學分析、熱彈性分析、熱力耦合分析。本文給定的溫度場條件如下：均勻溫升：18℃177。 有限元模型本文主要以有限元方法為手段完成結構的優(yōu)化設計研究。4. 載荷等效：進行有限元分析時所用的邊界條件、載荷等盡量與試驗、未來實際工作狀態(tài)所用的支撐方式、激勵形式一致。表 25 主鏡組件鏡面面形精度分析結果載荷 鏡面 pv（nm） 鏡面rms（nm）Gx+△T5 26Gy+△T5 Gz+△T5 Gx Gy Gz 由 表 25 可以看出，主鏡組件在重力作用下，鏡面面形精度滿足設計指標，而在均勻溫降 5℃與重力共同作用下，鏡面面形均不滿足設計指標。3. 進入太空軌道以后，在地面已達到工程使用要求的主鏡由于自重的消失和復雜的外界溫度的變化 [12]，鏡面面形也易發(fā)生變化，偏離設計和加工的要求，直接影響空間相機的成像效果。圖 31 溫度補償塊結構航天界在模擬空間環(huán)境下使用的中等孔徑的反射鏡支撐也多采用這種結構。主鏡的鏡框為鋁，用銅帶吊起支撐自重，靠在鏡框上，正面用彈簧夾將光學鏡固定在鏡框上，彈簧夾補償反射鏡與鋁鏡框的線膨脹差 [13]。這種結構的優(yōu)點是，支撐機構是浮動裝置，可以自由調節(jié)，溫度變化不會使主鏡產生應力變形，但不能做定位用。這里：D——光學鏡的口徑；T——光學鏡鏡厚；Ρ ——密度；E——變形量 PV 值。Hall(1970) 給出了計算最少支撐點的經(jīng)驗公式： （3 2）2)((??EtDN?其中：N——支撐點的數(shù)量；ω ——彈性模量。主鏡與其它各反射鏡外形尺寸的聯(lián)接點盡量遠離反射鏡鏡面，以消除反射鏡鏡框的裝配應力對鏡面面形的影響。通過柔性環(huán)節(jié)產生的較大變形達到卸載及吸收應變能的目的。在反射鏡結構系統(tǒng)中，常用的柔性結構是柔性鉸鏈。 圖 371 矩形鉸鏈結構示意圖及在橫向力、力作用下的變形圖 圖 372 矩形鉸鏈在橫向力矩、力作用下空間結構圖圖 37 矩形鉸鏈橫向結構剛度分析示意圖根據(jù)《材料力學》的基本理論得，在橫向作用力下，板的轉角剛度為： （3 3）2lEIFK??板的位移剛度為： （3 4）3lIF?在橫向彎矩作用下，板的轉角剛度為： （3 5）lEIMKF???板的位移剛度為： （3 6） 2lIF?而在縱向力的作用下，板處在拉伸狀態(tài)。主鏡組件中不僅要考慮通常的對支撐剛度的要求，而且突出的問題是整機重量輕，所以材料的選擇要充分考慮材料的比剛度要高。 改變柔節(jié)結構尺寸對最初的柔性支撐結構，調整柔性節(jié)的長度和寬度（如 圖 39 所示）來優(yōu)選合理結構。改變連接法蘭 2 與框架連接螺釘孔的位置，如 圖 310，將其轉動 60176。圖 311 連接法蘭 2 單邊柔節(jié)示意圖表 34 單邊柔節(jié)主鏡鏡面面形精度鏡面 pv(nm) 鏡面 rms(nm) 由 表 34 可以看出，將法蘭 2 的柔節(jié)改為單邊結構后，主鏡的鏡面面形最小 PV=＜ ，滿足光學設計的指標要求。32表 35 輕量化支撐結構優(yōu)化主鏡面面形精度方案 更改位置 鏡面 pv（nm） 鏡面rms（nm）1 a=2mm，b=1mm 2 a=，b=1mm 3 a=2mm，b=2mm 4 a=，b=1mm 4 a=，b=2mm 由 表 35 可以看出，方案 4 的鏡面面形最小 PV=＜，滿足光學設計的指標要求；RMS=＜，滿足光學設計的指標要求。反射鏡的光學加工通常是在光軸垂直水平面的情況下進行，而處于裝配狀態(tài)、工作狀態(tài)和地面檢測狀態(tài)時，其光軸位置是變化的，自重對光學面形的影響是不同的。 靜力學分析結果靜力學分析主要考察主鏡組件在三個方向重力作用下鏡面面形情況和主鏡組件的應力情況，結果如 表 3 表 38 所示，變形云圖如 圖 31 圖 31圖 318 所示。5℃ ；徑向溫差：2℃ ；軸向溫差： 4℃下主鏡鏡面面形情況和主鏡組件的應力情況。即主鏡組件在熱力耦合狀態(tài)下靜態(tài)剛度滿足要求。反射鏡位置誤差：剛體位置最大為均勻溫降 5℃Z 向偏