红外与激光工程
2021, 50(10): 20210213
1 中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏南京20042
2 中国科学院 天文光学技术重点实验室（南京天文光学技术研究所），江苏南京1004
3 中国科学院大学，北京100049
为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求，降低驱动功率，应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计，利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模，并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案，设计另外3种典型铺层方案进行对比，对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验，对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明：最优铺层方案为［±45°/90°/0°/90°/0°］s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×106 N/m，实验测得为7.463×106 N/m；有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m，实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz，振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%，静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。
光学望远镜 主镜室桁架单元 碳纤维复合材料 进化算法 优化设计 optical telescope primary mirror chamber truss unit carbon fiber composite evolution algorithm integrated optimization
1 长光卫星技术有限公司, 吉林 长春 130102
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130022
从吉林一号卫星某空间相机的实际应用角度出发,提出采用基于碳纤维复合材料的高精密薄壁筒和桁架杆作为主、次反射镜间的支撑结构,并完成相关设计和工程分析。深入开展相关振动、静力和温度稳定性试验,分析和试验结果表明,所提的支撑结构具有较好的结构稳定性和抗视轴抖动性能,碳纤维桁架的质量仅为2.11 kg,当基频达到186 Hz时,在重力和4 ℃温升条件下的稳定性优于1″。对在轨获取的全色遥感影像进行动态传函(MTF)分析,结果表明空间相机在轨动态MTF值为0.08,进一步证明CFRP桁架结构支撑技术的可靠性和有效性。
光学设计 空间相机 碳纤维复合材料 桁架 视轴抖动 稳定性 光学学报
2020, 40(21): 2122002
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130000
针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜, 提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案, 保证主镜具有高面形精度; 望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构, 既满足望远镜整体重量较轻, 又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型, 分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性, 其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测, 光学系统RMS可达到λ/14, 鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm, 均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。
望远镜 主镜支撑 桁架式 面形精度 有限元分析 telescope main mirror support truss RMS finite element analysis
中国电子科技集团公司第二十七研究所, 河南郑州 450047
针对大型平板微波天线俯仰系统进行工程研究, 设计了一种强度高、质量轻的桁架结构作为天线背架。根据指标要求建立数学模型, 将整个运动过程通过准确的力学计算进行力矩分配, 从而选定电机、减速机等结构要件; 通过对关键结构件的有限元仿真及高功率微波环境下的电磁兼容性设计, 进一步保证整个俯仰系统可靠工作。通过实验验证, 承载负载总重达到 2 t左右, 角速度最高可达 10°/s, 可以完成 0°~70°俯仰运动, 定位精确度优于 0.1°。实测平板微波天线各项参数均能达到设计要求, 微波测试方向图形态良好, 波束指向满足要求。
大型平板微波天线 桁架结构背架 有限元仿真 large plate microwave antenna truss structure back frame finite element simulation 太赫兹科学与电子信息学报
2019, 17(2): 278
1 广东电网有限责任公司江门供电局, 广东 江门 529000
2 武汉康普常青软件技术股份有限公司, 湖北 武汉 430073
针对目前分布式光纤传感应变监测基本处于定性监测这一不足,通过构造分布式光纤传感网络,实现定量监测边坡的位移场。类比空间桁架结构能够构造静定或超静定光纤传感网络,建立由监测应变到节点位移间的非线性关系式,通过求解非线性方程组或非线性最小二乘问题计算节点位移。数值实验验证了该方法的准确性,并分析了该方法的精度。为定量监测边坡位移场提供了一种新的方法。
分布式光纤传感网络 位移场 缆单元 非线性最小二乘问题 空间桁架结构 distributed fiber optical sensing network displacement field element of cable nonlinear least squares problem space truss structure
1 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 信息系统工程学院, 郑州 450001
2 河南省资源与材料工业技术研究院, 郑州 450001
基于极化分解理论, 分析了金属空间桁架电磁窗的桁杆散射场。针对桁杆截面选型, 对比了圆截面桁杆与矩形截面桁杆的抗弯刚度与电磁散射特性。综合两种截面形状的优缺点, 按照力电性能一体化设计要求, 提出了将二者结合的圆角矩形截面优化设计方案, 并对其辐照效应进行了计算仿真分析。结果表明: 矩形桁杆由于棱边的电荷积聚效应, 相较于圆柱形杆散射场副瓣电平较高, 电磁性能较差, 但抗弯能力更强, 具有更好的保护性; 圆角矩形的散射电平值小于矩形杆, 同时具有超过圆柱形杆的力学特性, 是提高电磁窗力电性能的可行方案。
天线罩 金属空间桁架 电磁散射 感应电流率 力电一体化 radome metal space frame EM scattering induced current rate electromechanical integration 强激光与粒子束
2018, 30(6): 063201
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了满足空间探测对衍射望远镜的发展需求, 针对某衍射光学系统设计了一种空间可展开衍射望远镜。首先, 根据Serrurier桁架原理及优化设计理论确定了文中所用展开结构的形式及几何尺寸, 并针对某衍射光学系统设计了一种新型自展开结构; 其次, 建立了该展开结构的有限元模型并分析了其展开后的特性; 最后, 搭建了原理样机并对其进行了实验研究。实验结果表明: 该展开结构的展开距离为2.9 m, 展开后的重复精度误差小于2 mm, 偏心小于0.3 mm, 倾角小于0.2°, 且可通过促动器将其展开精度调整至微米级, 能够满足空间衍射望远镜自展开机构的结构简单、质量轻、稳定可靠、精度高等要求。
空间探测 衍射望远镜 衍射光学系统 Serrurier桁架原理 展开机构 space exploration diffractive telescope diffractive optical system Serrurier truss theory deployable structure 红外与激光工程
2017, 46(12): 1218001
1 长春理工大学，吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
针对大型空间红外相机对复杂支撑功能且重量小、刚度高框架的需求，本文设计了一个全部由桁架杆互相支撑形成的框架， 并通过结构分析、工艺试验和力学试验验证了框架的可行性和可靠性。该框架由58根碳纤维支撑杆和21个接头组合形成相机的主支撑结构，可支撑多个周向分布的光学组件，且满足框架总质量不超过55 kg的要求。介绍了框架的装调和胶接方法和步骤，进行了有限元分析和力学试验，验证了三角形封闭的桁架杆结构在黏接强度降低的情况下，仍能够在相机受力状态下具有足够的安全裕度。力学试验得到框架的一阶谐振频率为90.4 Hz，满足一阶谐振频率不低于60 Hz的要求，与有限元分析结果相符。
空间红外相机 桁架结构 有限元分析 力学试验 space infrared camera truss structure finite element analysis process experiment 光学 精密工程
2017, 25(11): 2923
