基于有限元法的空间相机主镜设计

摘要

主镜作为空间相机中质量最大的光学元件,其面形精度、位置精度要求十分严格.本文研究的主镜尺寸较大且外形呈长圆形,若要保证其高的面形精度、位置精度,难度更有所增加.因此在空间力热耦合的环境条件下,如何使得主镜组件的设计满足质量轻、主镜的面形精度、位置精度高以及静、动态刚度,静、动态强度合理的要求,成为空间相机设计的关键课题之一.围绕主镜的设计约束条件,本文主要介绍了主镜材料的选择和几个典型结构参数的确定.即,通过对常用主镜材料的抗热变形品质因数和综合品质因数的定量分析,科学地完成了主镜的选材;应用有限元分析方法,借助于结构刚性品质因数的概念,研究了主镜轻量化孔的形状和主镜厚度对镜结构刚性品质的影响;通过对主镜组件的力热耦合分析,研究了主镜柔性支撑簧片厚度与高度对主镜面形的影响.研究结果表明:对于本文的长圆形主镜,采用正六边形轻量化孔,镜体结构刚性品质最好,正方形次之,正三角形最差;主镜镜体厚度存在最佳值;主镜组件在1g重力、均匀温升4℃共同作用的工况下,主镜柔性支撑簧片厚度越小、高度越高,主镜综合面形误差(P-V值)越小,但同时主镜组件的刚体位移增大、固有频率下降,因此柔性支承结构参数的确定要综合考虑主镜的综合面形误差和主镜组件静态刚度、动态刚度、静态强度和动态强度等因素.为了满足主镜的设计约束条件,主镜柔性支撑簧片厚度设计的较薄(1.3mm),因此有必要对主镜组件的结构稳定性进行校核.计算表明,在发射过载条件下,主镜组件不会失稳.主镜组件能否经受住地面运输和空间发射阶段动力环境的考验,是主镜组件设计校核的一个重要方面.主镜组件有限元模型动力学分析表明,本文设计的主镜组件足以抵抗动力学环境载荷的影响.本文最终设计的主镜组件满足设计要求.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题来源和研究意义

1.2研究内容

1.3空间相机发展概况

1.4空间相机的发展趋势

第2章主镜设计基本技术路线

2.1主镜设计基本技术路线

2.2有限元法

2.3主镜组件设计约束

第3章主镜设计研究

3.1主镜材料选择

3.2主镜轻量化研究

3.3柔性支撑设计

3.4主镜组件设计结果

第4章主镜设计校核

4.1主镜组件平衡稳定性分析

4.2主镜组件动力环境考核

第5章研究中发现的问题

第6章结论

参考文献

致谢

作者简历

攻读硕士期间发表的学术论文