根据极轴式望远镜的工作特点,以口径为700 mm的极轴式望远镜主镜室系统为例,确定了一套主镜支撑方案。借助于有限元分析软件MSC.Patran详细地建立了系统的有限元模型,选取多种工况,分析了系统在自重作用下的镜面变形情况,绘制了镜面变形误差PV值和RMS值的变化曲线。结果表明：镜面变形主要受α角的影响,随着α的增大而减小,径向支撑效果优于轴向支撑效果,镜面变形误差满足设计指标要求。在主镜室系统竖直放置时,利用Zygo干涉仪测得带支撑结构的镜面变形误差RMS值为28.48 nm,表明主镜在该支撑结构作用下的面形接近于加工检测时的状态,同时也验证了有限元模型的准确性。

<正> 在光刻技术中,由于对部件面形需求达到均方根0.005λ,其部件技术要求通常已超越了商业高速光学制造设备的能力。即使在研磨抛光设备采用了计算机数字控制前后处理及象通过离子束这样的先进技术进行最后成形和计算机控制抛光,光学元件仍须有精良技艺的技师的有效工作,因此而带来可靠性,可预见性、生产率、造价以及专业劳动力的获得等方面的问题。

应用有限元法并借助于有限元分析软件，建立了轴对称平面单元和三维实体有限元模型．对1．2m球面反射镜的支撑系统进行了优化设计，优化确定了轴向支撑圈数、支撑半径和支撑点排列组合、侧向支撑位置．分析计算出主镜在水平放置轴向支撑作用和竖直放置侧支撑作用下重力引起的镜面面形误差RMS值分别为2．5nm和3．16nm，满足设计指标要求，预示了所设计的支撑系统方案的合理可行性．

为了优化大型望远镜次镜支撑结构的静力学和动力学性能，采用有限元分析的方法，计算了次镜支座最大变形与次镜支座的偏置角、四翼梁叶片厚度的关系；分析了四翼梁结构的频率与叶片偏置角的关系．分析证明当次镜支座偏置一定角度时能改善结构的静力学性能；当相对的两片叶片从直径线上错开一定的距离，对提高望远镜的谐振频率是十分有利的，在两者之间综合取舍确定了四翼梁的优化形式．分析结果表明，优化后的四翼梁结构的静力学和动力学性能均有提高．

应用有限元分析方法，借助于MSC．Nastran有限元分析软件，对钢带支撑下的大尺寸轻量化椭圆反射镜进行了受力、变形分析．用Excel绘出了钢带对椭圆镜边缘的正压力的分布曲线，得出了钢带对椭圆镜的正压力在最低点最大，随着支撑位置的上升而逐渐减小的分布规律．由镜面节点变形结果计算出椭圆镜在钢带支撑下的镜面面形误差RMS值为11．7nm，满足实际系统的面形准确度要求．

为了提高大口径薄镜面望远镜主镜在不同俯仰角度的支撑面形精度,采用模态振型模式定标实时对主镜面形进行了主动校正。针对口径为620mm,厚度为18mm,底支撑采用36点主动支撑,侧支撑采用6点切向被动支撑的薄镜面主动支撑系统,分析了主镜自由振动时的模态振型;在进行主动校正前将其前10阶模态振型的RMS值归一化为1 000nm,定标出相应的校正力;分析了不同俯仰角下主镜面形的变化,并采用最小二乘法用模态振型为底基函数拟合了主镜面变形,求解出主动校正力;对比校正面形和原始面形的关系,在二次主动校正之后分析了拟合残差和校正残差的关系。最终校正结果显示,主镜竖直放置时,用最大2.23N的校正力可将其面形RMS从27.62nm校正到12.95nm;主镜水平放置时,用最大0.59N的校正力可将其面形RMS从7.68nm校正到2.84nm。得到的结果验证了采用模态振型校正主镜面形的...

为了研究和优化地基大口径望远镜系统的整体性能,对其整系统进行了有限元建模和分析。针对1.23 m口径的光电望远镜,研究了望远镜各部件的结构特点及连接关系,论述了相关部件的简化方法,建立了整系统的有限元模型。计算了当望远镜指向天顶和水平状态时系统的重力变形情况,给出主次镜的变形结果。分析了望远镜在风载和地震波载荷作用下的动态响应情况并给出了响应结果。分析表明：风载作用将引起望远镜主次镜光轴偏心,其偏心误差RMS值为0.025″,满足系统设计要求;地震波引起主次镜在3个方向上的位移较大,但最大应力为16.67 MPa,不会破坏望远镜系统的结构。

针对1 m望远镜俯仰轴系检测精度未达到系统指标,而系统运转性能优异的问题,研究了系统可能存在的可消除误差项。通过对影响1 m望远镜俯仰轴系精度的主要因素—中间体（四通）的有限元分析和运算,得出了四通在不同俯仰角度的变形曲线,并与实际检测结果进行对比,找出两者的相同特征并进行了补偿。按此方法使得望远镜俯仰轴系晃动误差PV值从2.42″降到0.95″,RMS值从0.7″降到了0.3″,提高了系统精度模型的准确性。推导出了设计过程中的检测指标,为更大口径望远镜轴系的设计和检测提供了理论依据。

在大口径望远镜主镜液压支撑形式中,液压缸需要一种简单可靠、不需要润滑维护的精密导向机构,而且可以输出较大行程范围(毫米级)。设计了一种柔性金属膜片机构用于液压缸的径向定位导向。建立了金属膜片机构有限元模型,采用几何非线性算法,研究分析了不同拓扑结构对金属膜片柔度的影响,通过不同拓扑结构金属膜片的性能分析对比可知,V型膜片能够很好地克服应力刚化,保证柔度的稳定性;以柔度为优化目标,对金属膜片V型的位置尺寸和形状尺寸进行了优化设计,金属膜片在导向方向上的柔度提高了14.2%;搭建了柔性金属膜片机构柔度测试平台,验证了仿真计算结果。结合实验和仿真结果可知V型柔性金属膜片具有良好的定位导向性能,对用于液压支撑的液压缸和主动光学的微位移促动器的导向机构的设计具有指导意义。

轴向支撑对大口径主镜的定位及镜面变形有着重要的作用，为了深入开展该课题的研究，在传统机械whime．tree支撑的基础上引入了轴向液压Whiffle，tree支撑。首先，从三点运动学定位支撑原理出发，介绍了Whiffle．tree支撑的特点与分类，着重对比分析了液压Whiffle．tree和机械Whiffle．tree支撑的优缺点。进而，根据液压Whiffie．tree的特点，分析推导了其建模方法，并运用该方法对一块18点液压轴向支撑的大口径主镜进行了静力学分析与优化，拟合后镜面变形RMS值为18．6nm，满足设计要求。同时通过对不同建模分析结果的对比，验证了该建模方法的合理性和正确性，为大口径主镜的轴向支撑分析提供了一种参考。