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空间大口径反射镜柔性支撑设计与分析
| 论文题名： | 空间大口径反射镜柔性支撑设计与分析 |
| 关键词： | 空间大口径反射镜;复合支撑;轻量化设计;拓扑优化;柔性环节 |
| 摘要： | 随着对空间探索的不断深入，空间望远镜变得越来越重要。空间望远镜的成像质量与观测分辨率高低有关，分辨率越高，成像质量越高，观测水平越好。为了更好地实现空间观测，通过增大反射镜的口径来提高分辨率，使成像质量增高。然而，随着口径的增大，不仅使反射镜组件的质量、发射成本提高，也加重因重力以及环境温度变化引起的反射镜变形。因此，需要对空间大口径反射镜及其组件进行轻量化设计，降低反射镜组件总质量；并设计合理的反射镜支撑结构，来确保反射镜的面形精度和位置精度，从而保证反射镜的成像质量。论文主要研究内容如下： 首先，分析环境因素对反射镜组件性能的影响，确定总体设计指标。根据工程经验以及经验公式，设计反射镜背部实体结构，确定中心厚度、面板厚度、背板厚度以及支撑点数。基于经验公式，运用参数优化方法确定反射镜最优支撑点位置。根据本文对精度的要求以及支撑结构的设计原则，确定本文支撑方案。 其次，在保证镜面精度的前提下，运用传统轻量化设计方法和拓扑优化方法对反射镜背部进行轻量化设计，获得三种反射镜背部结构，依据镜面精度、轻量化率等性能，确定综合性能最优的反射镜背部结构。 然后，基于自由度和镜面精度的要求，确定支撑结构为背部支撑和周边支撑结合的复合支撑结构。设计了一种新型柔性支撑杆结构，对其进行柔性环节以及刚体位移的分析，满足了反射镜的自由度全约束与精度要求。基于背部Whiffletree支撑结构，对三角形支撑板、双柔节、横杆和单柔节进行结构设计与拓扑优化分析，在满足精度要求的前提下，降低了支撑结构的重量。分析了周边A-frame支撑中关键几何参数与镜面精度的关系，并基于此确定了周边支撑结构。通过对背部支撑和周边支撑刚体位移分析，使两者刚体位移分别满足要求，实现背部支撑与周边支撑相互解耦。 最后，对反射镜组件进行性能验证。分别对反射镜组件进行温度、重力和复合工况下的镜面精度的仿真验证，证明其镜面精度RMS值与刚体位移均满足设计要求。对反射镜组件的模态、正弦和随机振动进行分析，验证反射镜组件的刚度和强度满足要求，保证不会发生破坏。 |
| 作者： | 韩金邗 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 李兴东;张玉和 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 燕山大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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