基于接触方法与集成仿真技术的摆镜面形仿真

    0 引 言

    摆镜是相关跟踪系统的核心部件， 它在光学系统中做二维摆动使光束受控的产生快速、 小角度变化以补偿因卫星振动等引起的图像抖动， 起到稳像作用。摆镜组件主要由摆镜镜体、装卡结构和摆动平台三部分组成，摆镜与平台通过装卡结构进行连接，装卡结构通过螺钉连接于摆镜平台； 作为稳像系统的核心部件， 摆镜安装于平台后要保持较高面形精度， 该项目中要求摆镜面形均方根不大于 0.025 波长， 而诸如螺钉预紧力等外载会对摆镜面形产生影响。所以探讨摆镜在预紧力等外载荷作用下，考虑零部件间的接触因素的摆镜面形的仿真， 研究外载存在时摆镜面形的变化规律， 对摆镜设计和摆镜组件装配等均有积极的工程意义。

    目前，工程仿真技术在光学仪器的光机结构设计中发挥着重要作用，仿真模型的合理性直接影响到仿真结果是否可信，工程分析很多情况下采用线性分析方法，对诸如螺钉联结、零部件接触等非线性环节通常进行线性简化建模，这种简化方式对不关注简化细节的仿真类型可以满足精度要求，而对于分析诸如零部件间接触关系为目标或主要矛盾的仿真，则需要考虑接触等因素影响。考虑接触因素的光机结构仿真已经被应用到光机仪器结构设计中^[1-4]，它弥补了线性仿真的不足，得到了更接近实际的结果。

    外载荷作用下摆镜有限元分析得到的数据为摆镜镜面有限元节点的位移。 面形数据包含了外载荷作用引起的刚体位移， 而刚体位移可以通过装调等方式进行校正， 所以从面形位移数据中消除刚体位移，才能得到真实表征面形变化的参数。为了消除摆镜在外载作用下的刚体位移， 引入了光机集成仿真技术， 在对摆镜进行有限元分析得到面形数据的基础上，使用基于 Zernike 多项式集成仿真接口程序处理摆镜面形数据，分离出了摆镜面形刚体位移项，消除了刚体位移。

    1 摆镜结构

    1.1 摆镜的结构

    摆镜组件主要由摆镜镜体、装卡结构、摆动平台组成。连接方式为：摆镜粘接于装卡结构，装卡结构通过螺钉连接于摆镜平台。 由于静止和摆动状态下对摆镜面形和谐振频率的要求，对摆镜及其装卡结构进行了必要的轻量化设计。 结构形式简图如图 1 所示。

    1.2 螺钉预紧力

    摆镜镜面变形主要考虑了摆镜螺钉预紧力和重力作用的影响。 螺钉联接中，只有适当的预紧力才能保证螺钉与被连接件可靠连接， 保证可靠连接前提下，研究预紧力对摆镜面形影响是需要关注的问题。预紧力通常是通过控制施加于螺钉的拧紧力矩或转角来实现的。 常用的力矩扳手可以较为准确的控制拧紧转矩，从而控制施加于螺杆上的预紧力。