长焦距空间相机主次镜间桁架支撑结构设计-论文
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第4 2卷第 1期2 0 1 2年 1月
激光与红外LAS ER& I NFRARED
Vo 1 . 42, No .1
J a n u a r y, 2 0 1 2
文章编号: 1 0 0 1 - 5 0 7 8 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 8 9 - 0 5
光学技术
长焦距空间相机主次镜间桁架支撑结构设计李志来(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 1 3 0 0 3 3 )
摘
要:为了满足长焦距空间相机主次镜闾支撑结构高刚度、高强度、高热稳定性和轻量化的
设计要求,从材料选择、结构形式、连接工艺和参数优化等方面分析了空间相机主次镜间支撑结构设计中需要考虑的问题。针对某 7 i n焦距,相对孔径 1: 6,采用卡塞格林光学系统的空间
相机,设计了一种采用碳纤维复合材料的 3层 2 7杆式主次镜间桁架支撑结构,并基于有限元法对其进行了优化设计。分析结果表明,设计的桁架结构质量减轻了 3 8 k g,一阶固有频率可
达8 0 H z,在径向自重和 5℃均匀温升载荷作用下,次镜最大倾角为 4 . 6”,表明所设计的支撑桁架合理可行,能够满足长焦距空间相机的使用要求。关键词:空间相机;支撑桁架;碳纤维;模态分析;有限元分析中图分类号: V 4 4 7 . 3 文献标识码: A D OI: 1 0 . 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 1— 5 0 7 8 . 2 0 1 2 . 0 1 . 0 2 0
Tr us s s u p p o r t s t r u c t ur e d e s i g n b e t we e n p r i ma r y mi r r o r a n d s e c o nd a r y mi r r o r i n l o n g f o c a l l e n g t h s p a c e c a me r aLI Zh i— l a i
( C h a n g c h u n I n s t i t u t e o f O p t i c s, F i n e M e c h a n i c s a n d P h y s i c s, C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s, C h a n g c h u n 1 3 0 0 3 3, C h i n a )
Abs t r a c t: I n o r d e r t o s a t i s
f y t h e r e q u i r e me n t s o f h i g h s t i f f n e s s, h i g h s t r e n g t h a n d h i g h t h e r ma l s t a b i l i t y o f s u p p o ̄s t r u c t u r e be t we e n p r i ma y r mi r r o r a n d s e c o n d a y r ni l ' F o r, s o me p r o b l e ms a bo ut t us r s d e s i g n s uc h a s ma t e r i a l s s e l e c t i o n,
s t r u c t u r a l c o n i f g u r a t i o n, c o n n e c t i o n t e c h n o l o g y a n d p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n a r e t a k e n i n t o a c c o u n t . As a n e x a mp l e, a 7m f o c a l l e n g t h a n d a r e l a t i v e a p e ̄u r e 1: 6. s pa c e c a me r a wi t h Ca s s e g r a i n o p t i c a l s y s t e m ha s b e e n de ve l o p e d. A 3- l a y e r
2 7一 s t ut r ma d e o f c a r b o n i f b e r c o mp o s i t e i s u s e d i n t h e ma i n s u p p o r t s t uc r t u r e b e t we e n p r i ma y r mi r r o r a n d s e c o n d a y rmi r r o r i n t h e s pa c e c a me r a, a n d t h e d e s i g n i s o p t i mi z e d by ini f t e e l e me n t me t h o d. Th e a n a l y s i s r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e
we i g h t o f t h e s u p p o ̄h a s b e e n r e d u c e d b y 3 8 k i l o g r a ms, a n d t h e i f r s t— o r d e r e i g e n ̄ e q u e n c y i s 8 0 Hz
, t h e a n g l e c h a n g e b e t w e e n p r i ma r y mi r r o r a n d s e c o n d a y r mi r r o r u n d e r r a d i a l s e l f - w e i g h t a n d 5℃ u n i ̄r m t e mp e r a t u r e r i s e l o a d i n g i s l e s st h a n 4. 6 . The s e r e s e a r c h e s v e r i f y t h a t t he s u pp o t r s t uc r t u r e i s r a t i o n a l a n d f e a s i b l e a n d c a n me e t t he r e qu i r e me n t s o f
t h e d e s i g n s p e c i i f c a t i o n s .Ke y wo r ds: s p a c e c a me r a; s u pp o ̄t us r s; c a r bo n ibe f r; mo d a l a n a l ys i s; ini f t e e l e me n t a n a l ys i s
1 引言
结构热尺寸稳定性是空间相机结构设计中的关键技术之一。而要实现整机的高结构尺寸稳定性和高刚度,实现良好成像,必须使相机的主支撑结构具有较基金项目:国家“ 8 6 3”高技术研究发展计划项目 ( N o . 2 0 0 9 A A 7 0 2 0 1 0 7 )资助。 作者简介:李志来 ( 1 9 6 5一),男,研究员,主要从事空间光学遥感器结构技术及精密机械方面的研究。E— ma i l: l i z 1 2 0 0 4@s o h u . c o n r收稿日期: 2 0 1 1 - 0 5 06; -修订日期: 2 0 1 1 - 0 5— 3 1
随着空间光学的发展,空间相机的分辨率要求越来越高,这就使得空间光学系统主反射镜的口径越来越大,焦距也越来越长。这给空间相机中的光学元件,特别是主次镜的安装、支撑提出了更严格的
要求。如何保证整个光学系统在装调、检测、发射运载和在空间工作状态下具有足够高的动静态刚度和
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轻的质量、较高的基频和良好的热尺寸稳定性。为了实现上述这些设计要求,桁架结构是空间相机主支撑结
构的最优选择。国外大型空间相机通常采用桁架式主支撑结构,如美国的 E O一1和法国的S POT 5¨,
倾角变化小于 5 ;②保证系统具有较高的动态刚度。主支撑结构一阶自然频率高于 7 0 Hz;③连接可靠,工艺性好,便于拆装,且在空间环境下具有较
高的热尺寸稳定性。 基于以上设计要求,为解决三杆支撑所产生的问题,利用三角形稳定性原理,本文提出一种多层三角桁架复合支撑方式作为 7 m相机主支撑结构,其
但国内空间相机的主支撑结构大多采用
框架结构或连接简结构,尚无桁架式主支撑结构的
成功应用先例。近年来,为适应长焦距、轻型空间相机的发展趋势,国内相关研究单位针对空间相机的支撑桁架结构进行了许多探索性的研究。中科院长春光机所的张雷~ 对同轴卡塞格林系统和离轴 T MA空间相机进行了桁架式主支撑结构优化设计。
中每两个相邻桁架杆与连接框组成相互连接的三角形,具体结构如图 1所示。前框架、后框架、中框架通过多组三角桁架连接在一起,从而实现高刚性定位。小框架、后托板采用传统三杆支撑。
张凯等对空间相机的桁架机身装配方法和装配工艺进行了研究,并应用于具体相机研制。本文的研究对象为某 7 m焦距,相对孔径 l: 6 6 的卡塞格林空间相机,主次镜间隔为 2 6 3 0 mm,属于长焦距空间相机。在探讨长焦距空间相机主支撑结
构构型、材料选择、连接工艺的基础上,优化设计了一
种 3层 2 7杆式主次间桁架支撑结构,并对其进行了有限元分析验证,解决了长焦距空间相机主次镜图1 空I司相机主支撑结构
问支撑难题。 2长焦距空间相机主支撑结构设计
为了实现主次镜间高刚度的支撑,支杆选取高比刚度的碳纤维材料 ( M4 0 )制作,支杆为中空碳纤管状结构,管的内外径作为设计变量可以进行优化设计。多杆系结构虽然实现了长焦距相机的高刚度定位,但仍具有一定的不利之处,主要体现在前框架、中框架的拼装需要设计高精度的工装和夹具。 3 碳
纤维复合材料预埋件结构连接工艺
目前,同轴空间相机所采用的主支撑结构主要为薄壁筒结构形式和桁架结构形式,离轴空间相机
如离轴三反 ( T MA) 空间相机主要采用整体框架支撑或桁架支撑结构。 长焦距空间遥感相机一个突出的特点就是反射
镜间间隔较长,这就使相机主体结构长度较大,传统的整体铸造框架结构一方面工艺上难以实现,另一方面也难以满足此类相机轻质、高刚度和高尺寸稳定性的要求。桁架结构以其变构件弯曲载荷为拉压载荷的设计原理,有效地利用了杆件抗拉压强度远
碳纤维复合材料以其密度小、比刚度高、线胀系数小且可设计等优点而被广泛应用于空问相机支撑结构或遮光罩和光阑结构中。在我国,应用最为广泛的碳纤维复合材料为 T 7 0 0和 M 4 0。在空间相机
大于抗弯强度的特性,有效地提高了机身结构的组合刚度。本文所研究的空间相机主次镜的间隔为 2 6 3 0 m m,主镜口径为 4, 1 1 2 5 mm。如果采用常规的
中' 1 ' 7 0 0常用于制作光阑和外遮光罩,而桁架杆等一些强度和刚度要求较高的构件通常采用 M 4 0。此种材料虽然具有许多优良的性能,但将碳纤维复合材料制成各种结构件,必然存在碳纤维复合结构件与
三杆支撑桁架结构,由于主次镜间距离较大,很难保证主次镜相互问的位置精度,在现有材料技术条件下,提高支撑结构刚度的措施为增大杆的截面积来提高刚度,这样将导致系统遮拦比的增大,影响成像质量,另外,系统质量也会随之增大,不能满足系统轻量化的要求。本相机主次镜间桁架结构设计的基
各种金属结构件或组件问的相互接口关系。连接形式主要有胶接连接、机械连接和胶铆混合连接。由于碳纤维可加工性能差,且形位、尺寸公差不易保证,对已成型后的结构件,不适宜在碳纤维基体上机
械加工,为保证碳纤维复合结构件的安装及使用性能要求,避免机械加工碳纤维复合基体,在碳纤维复
本要求是:①保证系统具有较高的静态刚度。在径向重力载荷作用
下,主镜、次镜保持光学设计要求的面形精度 ( P V 6 2 . 3 n m, R MS 1 5 . 8 n m),次镜
合材料结构件成型过程中,采用在碳纤维复合基体上预先放置金属结构件的工艺措施来保证采用混合连接方式提高构件之间的连接强度。
,并
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N o . 1 2 0 1 2
李志来
长焦距空间相机主次镜间桁架支撑结构设计
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3 . 1预埋件的选取原则所谓预埋件就是指在工艺成型过程中,在碳纤维复合结构的各接口处,预先放置加工性能好的轻
件和碳纤维杆件之间采用胶接方法连接,为了提高钛合金件与碳纤维复合杆件的结合性能,保证预埋钛合金件的初始相对位置,在二者之间的径向设置
质金属结构件,以便成型后对金属结构件进行各种成型加工,来满足性能要求的一种工艺方法。预埋
有定位销,成型后的复合结构通过加工钛合金预埋件来达到固定光学元件的使用要求。碳纤维复合杆
件常用的材料有铝合金、钛合金和铁镍合金,因为金属材料与碳纤维复合材料相接触会产生电偶腐蚀问题。上述材料与碳纤维复合材料的电位差较小,不容易发生电偶腐蚀。对结构性能、热稳定性要求不高的碳纤维复合件选用铝合金材料作为预埋件;对结构热稳定性要求较高的碳纤维复合材料选用钛合金和铁镍合金作为预埋件。3 . 2预埋件的结构形式
件对轴向长度方向的尺寸精度要求较高,因此采用杆件成型后,通过加工两端预埋法兰的方法来保证, 杆件的接口设置在两端预埋件的法兰处。4模态分析方法及参数优化
桁架结构设计中一个主要的考核指标就是结构的低阶模态。考察一阶固有模态是否会与相机卫星载体一阶固有模态重叠或相近。当相机结构系统的
低阶固有频率与载体相近时,必须进行结构改进来提高系统低阶固有频率以避开与载体的共振频率。 由弹性力学有限元法可知,任何系统的运动都可表示为内力、外力和惯性力的平衡方程组: []{越}+[ c]{ h}+[ K]{ M}={ P( t ):+{Ⅳ}+{ Q} ( 1 ) 式中,[],[ C]
和[ K]分别是质量、阻尼和刚度矩
预埋件的结构形式主要取决于碳纤维复合结构件的形式及功能。碳纤维复合结构件的典型结构有框架式、筒式和杆式三种形式。本文主要涉及的是杆式结构。
桁架是由多个杆件与框架按设计要求组合而成,桁架性能的优劣,在很大程度上取决于碳纤维复
合材料杆件,因此在制作碳纤维杆件时,除选用性能优良的碳纤维,采用特殊的铺层工艺,满足力学性能及热稳定性要求外,还应采用合理的预埋措施加以保证。
阵;{ P ( t )}为外力函数矢量;{},{ h}和{ u}分别是加速度、速度和位移矢量;{Ⅳ}为与{ h}和{“}相关的外力项矢量;{ Q}为边界约束反力矢量。在无阻
作为碳纤维杆件通常采用在其两端预埋比碳纤维复合材料加工性能好、力学性能优良的钛合金件和铁镍合金件,其典型结构形式如图 2所示。预埋铁合金预埋件碳纤雏轩
尼自由振动的情况下,结构的固有频率和振型可以 转化为求解特征值和特征向量的问题。针对一个自由度无阻尼振动系统,其运动微分方程可表示为: []{}+[]{}={ 0} 其对应的特征值方程为:[ K一 2]{咖}={ 0} ( 3 )
( 2 )
式中, 为简谐运动角频率;{}为位移矢量的幅值。此时系统一般存在着 n个固有频率和/ 7,个主振型,每一对固有频率和振型代表一个单自由度系统
的自由振动,这种在自由振动时结构所具有的基本振动特性称为结构的模态。
模态分析用于确定设计中的结构或部件的振动( a )无安装角度要求的碳纤维杆钛合金预埋件碳纤维杆
特性,即系统结构的固有频率和振型。结构系统的动力学响应都可用固有模态进行组合。空间相机主
支撑结构的动态刚度主要由支撑结构的固有频率和振型来衡量,支撑结构固有频率,尤其是前 4阶固有
频率越高,说明结构的动态刚度越高,整体结构的比刚度越大。针对本桁架结构,主要的优化问题为参数优化, 具体为各支杆间的角度优化和支杆截面尺寸参数优( b )有安装角度要求的碳纤维杆图 2碳纤
维复合杆件安装形式
化。在有限元软件中将支杆间的角度和支杆截面尺
寸作为设计变量,将次镜倾角变化和桁架结构一阶
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固有频率作为设计约束,要求次镜倾角小于 5”,桁架结构一阶固有频率大于 7 0 H z。目标函数为整个结构质量最小。通过优化设计,最终确定支杆间夹角为 3 8。,支杆横截面内外径分别为 4 8 m m和 6 0 m m。此外,将前框架和中框架改为支杆与管接
表2 反射镜在 Y向重力作用下的变形P—V RM S 转角 R/(” ) 刚体位移 j "/ t ., 1 my
反射镜/ i r m y
主镜次镜
6 0 3 6
l 3 . 2 1 . 2 7 . 9 4 . 6
1 . 3 0 . 4
5 . 6 1 . 4
6 . 5 O . 9
l 8 2 6
头连接的桁架环状连接结构。5主支撑结构有限元分析 5 . 1 有限元模型的建立
表3 反射镜在 5℃温升环境下的变形反射镜主镜次镜 P—V R MS 转角 ( )/n m y
刚体位移 T/ v my
桁架主支撑结构方案的设计和选取是建立在有
4 8 5 6
8 . 2
3 . 6
1 . 3 —2 . 3 —0 . 5 1 . 6 6 . 8 2 . 3
— 5 4 — 2 3
限元分析的基础之上的。桁架主支撑结构有限元模型如图 3所示,共包括 6 1 7 5 7个结点, 4 0 2 5 8个单元, 1 6 8个 M P C。
l O . 4 3 . 8
从表 2和表 3可见,在 y向重力作用下,主镜和次镜的最大面形误差为 P V 6 0 n m, R MS 1 3 . 2 n l n,而绕轴倾角 R的最大值为次镜绕轴转角为 4 . 6”,均满足光学系统提出的允差要求。在 5℃均匀温升工况下和重力作用下,次镜绕轴转角变为 3 . 8”。装调方向重力和 5 c c均匀温升工况分别作用下,主次镜的 P V< A/ I O, R MS<A/ 4 0( A=6 3 2 . 8 l l m),主次
镜绕轴和 l,轴的转角均小于 5”,而刚体位移均图 3桁架主支撵结构有限兀模型
远小于允差要求,满足设计指标要求。5 . 3
模态分析
材料属性:为降低质量,所有的支撑杆采用 M 4 0 碳纤复合材料。此外,构成前框架、中框架的管接头
模态分析是考察动态刚度的重要指标,结构低
采用密度小、强度高的金属材料 T C 4。小框架和后托板采用高体分 S i C/ A 1复合材料整体铸造成型。 桁架支撑结构材料属性如表 I所示。表1 桁架支撑结构材料属性密度 P 弹性模量导热系数 A材料/ ( g I l l t '/ 1 ) E/ G P a/ r W m~ K 1 / ( 1 0~ K一 )S i C/A】 3. 0 1 8 O I 40 8 . 2 O . 2 O
阶模态也是修改结构方案的重要依据。由图 4可见,一阶振型发生在后托板上,一阶固有频率为
8 0 Hz,远高于一般载体的一阶固有频率。表 4列出了整机的前 4阶固有频率和振型。 表 4桁架结构前 4阶模态分析结果阶次】2
热胀系数泊松比
频率/ H z8 09 l
振型后托板沿向摆动整个桁架前部沿向摆动
TC 4 M4 0
4. 4 1 . 5 6
1 1 4 l 4 0
9 . 6 3 5
8 . 9 0 1
0. 2 9 0. 3 3
34
9 51 0 2
整个桁架前部沿 y向振动后托板沿 Y向摆动
边界条件和载荷工况:与卫星连接的接口设在后框架,通过 6点 M1 0螺栓与卫星连接。在有限元
模型中定义为 6个螺栓连接位置 6自由度全约束。 载荷工况分别为:[工况 1]三个方向重力载荷;[工况2] 5℃均匀温升载荷;[工况 3]去掉重力和温升载荷计算约束状态下桁架结构的模态。5 . 2静力学分析( a ) 1阶模态
静力学分析主要考察重力环境、热环境下各反
射镜的面形和刚体位移,用来模拟空间在轨状态下相机的工作情况。表 2和表 3分别为各反射镜在检测方向 ( Y向)重力和 5 c c均匀温度变化下反射镜的变形结果。( c ) 3阶模态
嘲秘,嚣
il
l
( b ) 2阶模态
l
l茎
i
( d ) 4阶模态
图 4桁架主支撑结构前 4阶振型图
通过对桁
架结构进行模态分析可知,桁架基频
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李志来
长焦距空间相机主次镜间桁架支撑结构设计
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为8 0 H z,其振型表现为后拖板支撑相对较弱,可以考虑将 3杆支撑改为 6杆支撑,经分析,修改后的桁架基频可以达到 8 9 H z,远高于运载工具基频,在发射过程中以及工作状态下不会发生共振,说明该结构具有较高的动态刚度。6结论
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本文主要针对某大型卡塞格林空间相机桁架式主支撑结构的设计开展探索性研究。重点研究了采用碳纤维复合材料的 3层多杆系桁架支撑结构的预埋件连接工艺及桁架结构的动静态刚度和热稳定
a ng Ka i,H e Xi n,Cu i Yo n g pe n g . Pr e c i s i o n a s s e mbl y 『 5] Zh
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性。有限元分析结果表明,所设计的桁架结构能够使各主要光学元件在重力和 5℃均匀温度变化下面形精度达到 P V<a/ l O, R MS<
A/ 4 0,桁架结构基频 8 0 Hz,满足动静态刚度和热尺寸稳定性的要求。经过详细的优化设计,桁架结构的质量由原来的 3 1 8
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k g降至 2 8 0 k g,质量降低了 3 8 k g,且桁架结构的动静态刚度基本不变,完全满足使用要求。文中研究和分析结果对同类大型空间相机主支撑结构设计具有参考和借鉴意义。参考文献:[ 1] T B r e t— D i b a t, V A l b o u y s, J B e l f h o n, e t a 1 . T e s t s o f a h i g h r e s o l u t i o n t h r e e m i r r o r s a n a s t i g m a t t e l e s c o p e[ J] . S P I E,1 99 9, 38 7 0: 1 2 6—1 3 7.
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