地基大口径望远镜结构的性能分析

　　1　引　言

　　随着天文学的不断发展,空间目标探测应用的望远镜的口径在不断地增大,而望远镜口径的增大,除带来望远镜造价以口径的三次方增加外,还将引起主次镜支撑困难,视轴稳定性差,结构过于复杂庞大等一系列问题。为了使望远镜在满足结构刚度,稳定性以及系统精度要求的前提下,尽可能地减少结构质量,在望远镜的概念设计阶段就需要综合考虑光学系统的各项技术要求,在望远镜设计阶段则需要进行全面的仿真分析使系统结构更为合理。

　　鉴于有限元分析对优化设计的重要性,国外几乎所有的大口径望远镜都进行过系统级的有限元建模,对望远镜在各种动静载荷下的响应进行分析和论证,得出了很多结论,并积累了很多实用经验[1-7]。国内主要在主次镜等单个部件或子系统的轻量化以及重力变形等方面做了大量的有限元分析研究[8-10],对整个望远镜系统级的建模和仿真分析很少,很多设计都是基于早期的经验积累。

　　针对主镜口径为1.23 m的望远镜系统,本文详细研究了望远镜各部件的结构特点及其连接关系,对望远镜系统建立了详细准确的有限元模型,研究了整个系统在重力、风载、地震波等载荷作用下的静态和动态响应,并分析了其对主次镜等光学组件和系统指向精度的影响。

　　2　望远镜系统和有限元模型的建立

　　整个望远镜结构系统以及使用的全局坐标系如图1所示。望远镜系统主要由主镜室组件、次镜室组件、方位和俯仰轴系、基座等几大部分组成。主镜是大口径望远镜中的关键部件,底支撑采用18点无定向板whiffle-tree被动支撑,侧支撑采用杠杆平衡重锤的方式;次镜采用桁架结构和四叶梁结构支撑;方位和俯仰轴系用于保证望远镜在工作中能准确地跟踪和定位观测目标。定义沿方位轴轴向由主镜顶点到次镜顶点的方向为正Z向;沿俯仰轴方向由左到右为X轴正向;按右手定则确定Y轴的方向。为了准确预测望远镜在各种载荷下的响应情况,建立了详细的有限元模型,如图2所示。

　　主次镜材料均采用微晶玻璃,主镜面型的变化对系统性能影响很大,因此对主镜及其支撑采用了六面体单元详细建模,与镜体直接相接触的支撑垫选用铟钢;次镜尺寸小,相对刚度较大,简化为质量点;基座、转台等材料选用HT300,其余大部分组件为板材焊接结构,材料选用16Mn;在模型中使用壳单元进行建模;桁架结构选用梁单元模拟;对于结构中的大型轴承和粘结胶层进行了特殊简化处理。全部模型共划分有限元单元37 626个,节点50 140个。

　　2.1　大型轴承的模型表达

　　方位轴承承载了望远镜的大部分重量,对其刚度和强度有很高的要求,轴承性能的好坏关系到跟踪架跟踪精度的高低;俯仰轴承刚度和性能好坏则直接影响光学组件支撑结构的俯仰角变化精度,因此大型的方位和俯仰轴承是大口径望远镜中很重要的一个环节,而轴承有限元模型的准确性将直接影响到最终的分析结果。