基于CAE的光学反射镜柔性结构设计与分析

　　0 引 言

　　目前，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不可替代的作用[1-3]。合理有效的工程分析结果对于缩短空间遥感器的研制周期、降低研制成本和提高结构可靠性方面起着至关重要的作用。光学反射镜成像表面的面形精度是影响空间光学遥感器光学系统成像质量的关键因素，在力学工况下反射镜的面形精度较容易满足设计指标要求，而在热环境工况下，镜面变形会显著超差，远远大于λ/10(λ=632 nm)。为了使反射镜在力学环境工况下满足面形设计指标要求的同时，在空间热环境工况下也能达到成像要求的面形精度，就需要对反射镜的支撑结构进行合理的设计，增加结构的柔性，在保持反射镜刚度的同时，使反射镜具有良好的热尺寸稳定性[4-5]。本文提出了一种反射镜柔性连接结构，通过CAE分析，研究它在满足力学工况下对热环境工况的贡献，使反射镜结构设计合理可行，达到成像质量要求。

　　1 反射镜组件结构几何模型

　　图1 所示为某空间光学遥感器一次反射镜组件结构图，镜体尺寸为：直径φ130 mm，厚度 20 mm，镜体表面曲率半径 R 为 1 285 mm。装配关系是：反射镜与镜座侧面及底面胶接，镜座与弯板采用螺栓联接，弯板再通过螺栓与整体框架连接。由于反射镜外环面整体与镜座胶接，这样导致结构刚性非常大，经有限元法分析计算，重力变形 16.5 nm，一阶模态频率在 1 000 Hz 左右，结构过高的刚性导致热尺寸稳定性非常差，在(20±4)℃温升工况下，镜面面形 PV 值达到 864 nm，远超出了光学设计要求(PV≤λ/10=632 nm)。

　　为了增加结构的柔性，需对反射镜支撑连接结构进行改进。设计如图2 所示的柔性结构，在沿圆周方向 120°三处均布三个，柔性结构与镜座采用螺钉连接，变反射镜与镜座整体胶接为三处柔性结构圆弧面与反射镜胶接，在反射镜与镜座之间留有 0.05 mm 的装配间隙。如图3 所示，目的是让反射镜在热载荷作用下有一定的涨缩空间，增强结构的柔性，弱化结构的刚度。

　　2 柔性连接结构设计分析

　　考虑到静力学环境和动力学环境对结构的影响，使结构对来自任意方向的外载荷具有一定缓冲作用[6]，将柔性结构设计成如图 2(a)所示双层结构形式。上表面圆弧面与反射镜侧面胶接，下表面通过螺钉与镜座连接，此结构从理论上可简化为两个弹簧并联后再与一个弹簧串联，其物理模型如图 2(b)所示，设两个并联弹簧的转角刚度分别为K1，其下串联弹簧转角刚度为 K2，则整个柔性结构的转角刚度 Ktotal按下式计算：