为满足30 m望远镜(TMT)三镜系统(M3S)对质量和刚度的要求, 研究了合理分配该系统各部分刚度的方法。针对M3S的第一阶谐振频率不小于15 Hz的要求, 本文基于M3S的结构组成对模型进行适当地简化, 然后使用前期设计数据建立了四质量点弹簧-质点模型。研究了三镜支撑系统支撑刚度的组成, 使用特征值反解的方法得到了简化模型在6个广义方向上的刚度矩阵。最后,给出了系统中所有弹簧代表的刚度, 并将这一简化模型和计算结果用来指导后期的结构设计和控制设计。使用运动学仿真软件Adams对分配结果进行了验证, 验证结果显示, M3S各部分刚度配比合理, 系统的基频能够达到15.1 Hz, 满足设计要求。采用本文的刚度分配方法, 可以有效地提高系统设计的效率与合理性。

为了满足30 m望远镜 (TMT)三镜系统(M3S)对抗震性能的要求, 对在返回周期为200年和1000年的地震载荷条件下的三镜支撑结构的性能进行了分析。首先, 根据三镜支撑结构的特点, 对TMT整体的地震响应谱进行了修正, 得到了适用于三镜支撑结构的地震响应谱。然后, 分析了三镜支撑结构在不同等级地震激励下的位移、应力和加速度响应。分析结果显示, 当返回周期为1000年的地震从水平面内两个正交方向及竖直方向同时传递到三镜支撑结构中时, 系统响应最大; 此时, 三镜支撑结构中各部件的最大加速度为2.844g, 最大位移为1.544 mm, 最大应力为552.316 MPa, 三镜上最大应力为1.401 MPa。根据材料力学性能可知, 侧支撑杆会发生破坏, 需要采取地震防护措施对三镜进行保护。本文在进行谱分析时较完整地考虑了各项因素, 结果数据精确可靠, 可为三镜系统的详细设计提供指导。

针对美国30 m望远镜(TMT)三镜系统在工作时的特殊要求，对三镜系统的Rotator组件轴承进行了设计，提出了在载荷连续变化条件下轴系的设计方法。通过分析该系统独特的运动和受力方式并对比现有大型望远镜结构形式，确定了三排滚柱支撑的轴系方案及轴承结构参数。计算中将天顶角定义为变量，确定了轴承的最恶劣工况及此时的望远镜指向。采用了数值计算和有限元仿真的方法对这一条件下的轴承变形和应力同时进行校核，两种方法得到的结果符合得很好，证明了模型的正确性。结果表明，天顶角为0°~65°时，轴承在x、y、z方向上的变形不超过0.015 mm，轴承倾角不超过1.7×10-5 rad，满足设计要求，并留有很大裕度。

为了充分了解三镜在大口径望远镜系统中体现的功能，满足口径日益增大的望远镜系统研制要求，对国内外大口径望远镜中应用的三镜系统进行技术性的调研和总结。从望远镜光学系统结构发展、口径变化、功能要求等三方面对三镜系统进行详细的技术阐述，并结合三十米望远镜(TMT)三镜系统的概念设计进行了具体的技术说明。结果表明，三镜在望远镜系统，尤其是大口径望远镜中的作用越来越突出，并且随着望远镜技术的发展，对三镜系统赋予的功能要求也越来越丰富与严格。