空间光学遥感器长圆形反射镜组件优化设计与分析

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随着计算机辅助技术的不断完善和发展 ，计算机辅助工程分析(CAE)技术在空间光学遥感器反射镜及其支撑结构设计乃至遥感器整机结构设计 中发挥着越来越重要 的作用 ]。反射镜是空 间光学遥感器的重要组成部分，其尺寸 、质量决定了空间光学遥感器 的结构尺寸质量。为了进-步减轻反射镜组件的重量 ，降低整体造价 ，保证结构动态刚度 ，并且在提高工作效益和可靠性的同时，提高反射镜面型精度 ，需要利用有 限元技术对反射镜组件进行优化设计与分析 。

沙巍 采用直接对反射镜镜体挖孔 的方式将轻量化和拓扑优化集为-体 ，缩短了工作量 ，但使加工制造过程变得复杂。辛宏伟 在对反射镜进行轻量化处理以后又进行了拓扑优化，在进-步减轻镜体质量 的基础上 ，使反射镜面形质量变好。这种方法在工程应用上更为可龋柔性支撑的结构设计对反射镜面形质量有很大的影响。柔性铰链设置的基本原则是满足其抵消热变形功能的实现，最终 目的是卸载反射镜或外界传递来 由于温度变形产生的变形能嘲。在对柔性支撑进行优化设计过程中，需要根据不同的工况形式 ，确定柔性铰链的芭位置和方 向，并根据不同的变形条件对柔性铰链的形状进行改进。

文 中论述 了- 种 长 圆形 反射 镜 ，其 尺 寸为680 mmx470 rnin。设计要求反射镜组件在单独重力作用 以及重力和±20℃温度变化共 同作用下反射镜面形 的 RMS值小于 M30(A632.8nm)，同时限定结构动态刚度大于 100Hz。为了达到此设计要求 ，同时减轻反射镜组件的质量，文中从反射镜的结构优化 、支撑位置以及柔性支撑结构设计方面 出发 ，对反射镜组件进行了分析和改进 ，使反射镜面形精度最终满足设计要求 ，拟探索出-条反射镜及其镜组设计与优化的工程设计方法。

1 反射镜组件分析反射镜组件主要由反射镜 、锥套 、柔性支撑和背板四部分组成 ，如图 l所示。3个锥套外壁涂胶分别与反射镜连接 ；柔性支撑上端与锥套通过螺钉连接 ，下端通过螺钉与背板相连。

图 l反射镜组件结构示意图Fig.1 Structure of the mirror subassembly1.1 反射镜组件材料的选择反射镜组件的材料选择需要考虑材料热物理性能、材料力学性能以及材料的稳定性等因素 。由于空间环境恶劣 、温度波动范围较大 ，需要选用结构刚度和强度优 良、具有 良好热尺寸稳定性 的材料 ，从而确保光机结构的稳定性 ，并保证在温度变化较大的环境下 ，反射镜组件能够满足热畸变的公差要求 。材料的线膨胀系数 、比热容及导热系数是影响反射镜组件尺寸稳定性的关键因素。

除了考虑材料本身的性能之外 ，还需要注意材料间的热匹配和热变形补偿能力。为了保证反射镜面形精度在空间复杂的工况下满足要求 ，与反射镜直接接触的锥套的线膨胀系数需要与反射镜的线胀系数匹配 l，从而避免因局部应力集中而导致局部镜面 产 生严重 变 形 。

综合考虑反射镜组件的机械性能 、热特性 、对工作环境的适应性 、加工工艺性等因素 ，文中选用碳化硅(SIC)作为反射镜材料 ，铁镍合金(4J32)作为锥套材料 ，钛合金(TC4)作为柔性支撑 ，铸 钛合金(ZTC4)作为连接板材料。这4种材料属性如表 l所示。

表 1反射镜组件材料属性Tab.1 M aterial properties of the mirror subassembly2 反射镜优化设计2.1 反射镜支撑点数 目反射镜的支撑方式有周边支撑 、侧面支撑 以及背部支撑等形式。背部支撑 由于能够采用多点柔性第3期 徐 炜等：空间光学遥感器长 圆形反射镜 组件优化设计 与分析 755图 3(a)为初始设计 的反射镜变形云图 ，其镜 面变形结果不满足设计要求 ；图 3(b)为对反射镜结构刚度的拓扑优化云图，优化结果表明，支撑点周 围需要加强厚度 ，而支撑点围成的三角形边缘处以及中心处肋板对结构刚度贡献不大 ，可以根据加工情况以及重力在其它两个方向作用时反射镜的镜面变形情况进行剔除或减薄 ；图 3(c)为根据优化结果重新建模分析的反射镜变形云图，此时反射镜面形满足光学成像要求。优化前后反射镜面形(RMS值)与质量的对 比如表 2所示。在质量减轻 3kg的前提下反射镜面形变好 ，对反射镜进行优化设计是有必要的。

表 2反射镜的优化对比Tab.2 Optimization contrast of mirror3 柔性支撑优化设计为 了减少过约束可能带来的面形变化 ，以及使反射镜面形精度在温度变化下 也能够达到使用 要求 ，需要设置-定程度的柔性环节。柔性支撑结构的作用-方面在于隔振 ，另-方面可以消除大部分主镜装配应力 ，更重要的是当温度变化时，光学元件与其支撑结构之间的热特性 的不匹配可以通过柔性支撑 的变形得到补偿 ]。

3.1 柔性铰链自由度的选取在对支撑结构件进行柔性设计时 ，需要对柔性铰链的 自由度进行选取 ，以释放不同方 向的力 的作用 ，从而减轻作用力引起 的反射镜镜面变形。文 中的支撑结构件需要释放影响反射镜径 向移动与转动的作用力 ，因此需要增加这两个方向上的柔性。同时考虑到背板与支撑结构件连接处局部热膨胀的特性 ，也需要增加支撑结构件径向的柔性。因此 ，柔性支撑上需要分别布置 3个方向的柔性铰链 ，以满足柔性支撑对柔性 的需求。

3.2 柔性铰链参数设计倒 圆角直梁形柔性铰链结合了圆形铰链和矩形铰链的优势 ，其应力集中不明显 ，在相同应力条件下 ，其转角大 ，更易弯曲。基于以上优点 ，并结合文中柔性支撑 的结构形式 ，决定采用倒圆角直梁形柔性铰链 ，其结构示意图如图 4所示。

Y： .A图4倒圆角直梁形柔性铰链Fig.4 Round of flexible hinge with straight beam同-种柔性铰链卸载载荷 的原理相 同，只是 由于放置位置 的不同导致了它们对不 同方向载荷的敏感度不同。因此只需分析单个柔性铰链参数在外力和弯矩作用下的转动刚度。