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大口径透镜柔性支撑结构设计与分析赵勇志;曹玉岩;韩西达;李玉霞【摘要】柔性支撑结构在透镜热变形方向上具有可控的相对自由度,环境温度变化时,柔性支撑结构能够减小透镜与支撑结构间的热应力进而提高面形精度,因而广泛应用于透镜支撑结构中.为了解决柔性支撑结构的设计及性能评价问题,对柔性支撑结构建模方法进行了深入研究.首先,根据柔性支撑结构圆周对称特性,即由圆周对称分布的圆弧形柔性单元组成,将柔性单元简化为超静定圆弧梁,推导了柔性单元的径向及切向刚度.然后,假设透镜为刚体,根据力平衡条件及变形协调条件,推导了柔性结构的整体力学模型.最后,进行了有限元仿真和实验以验证提出的柔性支撑结构力学模型,理论模型与仿真及实验结果相吻合.此外,以300mm透镜为例,分析了支撑结构几何参数对透镜面形精度的影响及透镜的热应力分布,结果表明柔性支撑结构能够有效的降低透镜与支撑结构间的温度应力,进而提高支撑性能.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)005【总页数】7页(P1-7)【关键词】柔性结构;透镜;圆弧梁;协调变形;有限元仿真;【作者】赵勇志;曹玉岩;韩西达;李玉霞【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033【正文语种】中文【中图分类】TP13对于大口径透镜（直径或长度大于300mm），传统刚性支撑因温度适应性差已无法满足要求，越来越多的大口径透镜采用基于quasi-kinematic原理的柔性支撑结构，如图1所示，具有支撑刚度高、温度适应性强、结构简单、无摩擦和滞后效应等优点。
从经典三点柔性支撑结构出发，支撑结构可演化为多种形式，如图1（a）～（i）所示，其中（a）为詹姆斯韦伯望远镜中氟化锂透镜的柔性支撑结构[1]，（b）为Subaru望远镜近红外光谱仪UK-FMOS中透镜的柔性支撑结构[2]，（c）为MMT望远镜Binospec光谱仪透镜的柔性支撑结构[3]，（d）为火星红外光谱仪中椭圆分色镜的柔性支撑结构[4]，（e）为GOES-R中先进成像仪分光平面镜的柔性支撑结构[5]，（f）为韩国空间光学中心研制的bipod型支撑结构[6]，（g）为LMSSC公司空间近红外相机的六点柔性结构[7]，（h）和（i）为长春光机所研制的分别用于空间光学遥感器大口径主反射镜的Cartwheel型柔性支撑结构[8]和光刻物镜中透镜轴向支撑的多点柔性支撑结构[9-11]。
中小型球面反射镜柔性支撑优化设计王文攀;吕天宇;刘祥意;范磊【摘要】结合工程需求,介绍了中小型反射镜支撑方法,对比各种方法的优劣和使用范围,重点阐述了柔性半运动学支撑的原理和设计方法,并运用该原理对一块口径为φ316mm的双曲面反射镜支撑进行柔性优化分析、设计、装调和检测.首先双曲面反射镜轴向采用3点柔性杆支撑,径向采用心轴支撑,并设计防转机构,以实现自由度完全约束;其次运用有限元方法对支撑结构优化设计;最后用4D干涉仪对双曲面反射镜光轴水平工况进行检测.检测结果显示,光轴水平时反射镜面型精度为0.0268λ,与加工后裸镜面型误差为0.0222λ,误差率为5.5％,基本跟有限元分析吻合,验证了理论设计和有限元分析的正确性.设计的反射镜支撑性能稳定可靠,达到预期效果,为中小型反射镜支撑提供参考.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(042)003【总页数】4页(P7-10)【关键词】双曲面反射镜;柔性支撑;有限元分析;面型精度RMS【作者】王文攀;吕天宇;刘祥意;范磊【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033【正文语种】中文【中图分类】TH74随着光学事业的发展和人类探索宇宙不断深入，地基望远镜的口径也越来越大。
国外主镜口径为4m～8m级的地基望远镜已经成熟，更大口径的望远镜正趋于成熟，目前世界上最大的在建地基望远镜包括由欧南台研制的42m ELT［1］和由美国加州大学联合加拿大、中国、日本、韩国和印度共同研制的30m TMT［2］。
国内自主研发的4m望远镜正处于研制阶段，距离工程化应用还有一段距离，2m望远镜也刚刚完成应用，更多的则是1m及以下的中小口径光学探测［3］。
第41卷第1期2017年1月激光技术LASER TECHNOLOGYVol.41,No.1January,2017文章编号：1001-3806(2017)01-0141-05空间反射镜背部双脚架柔性支撑结构设计周宇翔，沈霞(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要：为了满足空间反射镜温度适应性好、结构紧凑的要求,采用有限元分析方法，以超低膨胀系数玻璃空间反射 镜（0355mm)为支撑对象，设计了一种背部双脚架柔性支撑结构。
首先研究了双脚架支撑的基本设计原则，从自由度角 度分析了双脚架支撑结构相对背部3点支撑结构的优势。
然后针对支撑结构尺寸参量、柔性铰链结构尺寸参量对面型精度的影响进行了仿真分析和优化设计，提出支撑脚延长线交点位置应作为背部双脚架支撑的关键设计参量，与粘接位 置分别设计。
结果表明，优化设计后的背部双脚架柔性支撑结构温度适应性好，能够有效卸载温度变化引人的附加载 荷，同时具有较好的支撑效果和动态刚度;反射镜支撑后面形精度均方根值为3.68mn，组件的1阶频率达到123.41Hz，满足设计要求。
该研究对未来背部双脚架支撑结构设计具有借鉴意义。
关键词：光学设计;双脚架柔性支撑;有限元分析;空间反射镜中图分类号：TN202 文献标志码：A doi：10. 7510/jgjs. issn. 1001-3806. 2017. 01. 029Structure design of backside bipod flexure mount for space reflectorZHOU Yuxiang,SHEN Xia(Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai200083, China)Abstract：To satisfy the requirement of thermal adaptability and limited space, a kind of bipod flexure mounts for space reflector ( 0355m m) made of super low expansion coefficient glass was designed by finite element analysis (FEA)method. Firstly, the basic design principles of bipod flexure were studied. The advantage of bipod structure, compared with three points backside structure, was discussed from the view of freedom. Secondly, simulation analysis and optimization design were carried out for the influence of dimension parameters of support structure and flexure hinge on the surface figure accuracy. The intersection position of supporting foot extension line should be the key design parameters and the bonding position should be designed respectively. The results indicate that backside bipod flexure mounts after improved design has fine thermal adaptability and can effectively discharge the load caused by thermal variation, and has fine supporting ability and dynamic stiffness at the same time, root mean square of surface figure accuracy reaches 3. 68nm, after reflection mirror mounting, and the first order frequency of assembly is 123.41Hz. The data can meet the design requirements. This study can supply the meaningful reference for future structure design of backside bipod mounts.Key words：optical design；bipod flexible mount；finite element analysis；space reflector引言随着用户对遥感仪器需求的提高，能够适应恶劣 空间温度环境的反射镜支撑技术越来越成为关注的重 点。
2m SiC反射镜柔性被动支撑系统王富国;乔兵;张景旭【摘要】针对2m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统.该系统底支撑w hiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力.对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果.检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.0707 mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力.%To apply SiC mirror in a ground-based telescope ,a flexible passive support system was de-signed on its high thermal expansion coefficient and high rigidity .In this system ,a thin and long flex-ible rod was used in the axial support whiffletree structure and a flexure joint rod wad used in the lat-eral support structure .By w hich ,the axial support structure and the lateral support structure could support the system respectively .This structure not only allows the primary mirror to be a good posi-tion and a shape but also easily eliminate assemble stress and thermal stress .The static analysis ,ther-mal analysis and modal analysis for the mirror were performed under the support system ,and then the analytical results were verified by a surface test ,mirror inclination test and a displacement test .The test result of the primary mirror shows that the surface error (RMS) is λ/40(the optical axis is verti-cal) and that (RMS )isλ/16 (the optical axis is horizontal ) ,the maximum inclination change of the primary mirror at different pitch angles is 8 "and the displacement is0 .0707 mm .The test results are basically consistent with the analysis results ,meeting the design requirements .It shows that this flexible passive support system has good engineering feasibility .【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)010【总页数】8页(P2591-2598)【关键词】SiC反射镜;柔性;被动支撑系统;whiffletree;A-frame【作者】王富国;乔兵;张景旭【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TH743;TH703随着国内大口径SiC反射镜制造能力的不断增强，大口径SiC反射镜以其接近净尺寸成型的轻量化能力开始在地基望远镜中得到应用，国内外众多学者开展了相关研究。
光学反射镜柔性支撑方式静态分析与计算
[摘要] 本文采用非线性有限元分析方法，以球铰支撑结构的反射镜为例，最大程度地模拟实际结构,并将罚函数的摩擦形式引进到摩擦接触对中，进行实际模型的解算，使得分析结果更加精确。
同时对全固定支撑方式分析结果进行比较，说明了球铰支撑静态环境下工作的稳定性。
[关键词] 有限元球铰静态
1.引言
由于反射镜组件在使用环境的温度变化以及不可克服的重力场等因素作用下，都会引起参与成像的反射镜发生变形，从而造成光学反射镜的面形精度下降，最终导致成像质量的降低。
合理的支撑方式会较大程度的减小环境因素对光学成像系统的影响，而在支撑方式中设置一定程度柔性环节是行之有效的方法，特别是在空间环境下的空间望远镜、空间遥感器中采用柔性结构就更加普遍。
柔性结构有多种形式，如柔性弹簧片、球铰支撑等等多种形式。
本文利用非线性有限元工程分析对某型光学反射镜球铰支撑方式进行了静态分析和评价【1-2】。
2.球铰支撑反射镜组件工程分析
本文所研究的反射镜及其支撑结构如图1所示。
其主要结构件由衬套、圆锥压块、球头、顶丝构成【3】。
2.1球铰支撑的基本形式
反射镜通光孔径为800mm×600mm，球半径5200mm，反射镜最小
厚度为115mm，材料为sic。
由于长条反射镜孔径较大，所以采用9点支撑形式，如图1所示。
反射镜与支撑件之间用殷钢锥套过渡，并且将殷钢线胀系数调节到与反射镜的一致，以实现反射镜的温度适应性。
球头的球半径24mm，所选用的殷钢材料与上下圆锥压块、衬套相同，其线胀系数调配得也与反射镜材料相同。
在实现局部三点定位后，再通过小三角板实现三点到一点的过渡，并且最终通过大三角板过渡后实现九点到三点定位。
4块三角板材料选用钛合金，以便降低质量，所选材料的属性见表1。
衬套与反射镜的镜体胶接在一起，通过备紧顶丝将两个圆锥压块与球头压紧，而球头尾杆又通过锁紧螺母与三角板联接。
图1 反射镜及其球铰支撑结构
表1反射镜组件选用主要材料属性表
材料10-6kg/mm3 e
gpa μ s
mpa a
10-6 /°c
碳化硅 3.12 320 0.18 360 2.15
钛合金 4.4 114 0.29 890 8.90
殷钢8.3 150 0.25 510 2.15
…
2.2建立有限元模型
2.2.1有限元模型的划分原则
在实体几何模型的基础上应用msc.patran有限元分析软件对几何实体进行有限元模型划分。
对反射镜几何模型分析时，尽可能的采用六面体单元，它们能保证在最小的费用下给出了最好的结果，但当模型十分复杂时，适当地采用楔形单元，以增加过渡的连续性和协调性
（1）对锁紧顶丝进行一定程度的细划，可以更加有效的模拟其作为一个可变形体，并采用一次单元。
（2）圆锥压块和球头间的接触面存在着摩擦力、作用力
与反作用力，是整个结构工作的核心部位，考虑其变形的同时，又必须考虑接触面间的作用力能够有效的传递，必须进行网格细化。
接触表面间的相互作用包括两个部分：一是垂直于接触面，另一是沿接触面的切向。
切向部分包括表面间的相对运动（称为接触对）。
最后模型所构造出各种表面间的相对运动（滑动），就是磨擦剪应力，有限元模型见图3。
（3）球头尾杆与三角板之间，以及大小三角板之间的螺钉连接均简化为固定连接。
图3 反射镜组件的有限元模型图
2.2.2 边界条件
非线性分析的边界条件的确定与线性分析的边界条件有相似之处，但也有较为严格的独特之处。
（1）大三角板与外界的接口外力采用固定连接。
（2）在三点支撑的方案中，在外力的作用下，零件将产生弯曲，会相互产生滑移或倾斜的倾向，因此在摩擦力的定义中采用罚函数的形式，以增加可收敛性和收敛精度。
考虑到球头、上下压块的加工条件、手段和工艺的不确定性，摩擦系数选用0.12。
（3）确定分析步骤时，为增加收敛的速度，分析可以分两步进行，分别对每一步进行最大变形分析和反射镜的面形精度分析，再将各步耦合分析，确定所有载荷作用下的最大变形分析和反射镜的波前差分析。
2.2.3 载荷形式
在反射镜装配时，需要调整顶丝的压紧程度，以实现球铰内部的无间隙接触。
这种压紧程度在仿真分析的算法上可以有两种形式：顶丝预紧力形式以及接触面之间的过盈方式。
在利用预紧力进行压紧时，实际装配时可以通过力矩扳手实现；而过盈可以通过零部件之间的几何公差，配合以力矩扳手实现。
本文分别对这两种形式进行了分析。
施加压紧效果：顶丝的压紧选取必须相对合理，太大，则摩擦力相对变大，球铰起不到卸载的作用；太小，则容易在运载或运输的环境下由于受振动导致反射镜倾斜，系统也不能正常成像。
本文将预紧力从100n增至1500n；而过盈由0.01mm到0.08mm。
与三角板相连接的螺纹、螺母，其预紧力不会对系统造成破坏性的影响。
3. 分析结果
当顶丝预紧力为100n—1500n时，或者过盈0.01mm到0.08mm，
反射镜面形精度逐步降低，这是由于施加预紧力时圆锥压块膨胀，进而挤压镜体，造成反射镜镜面变形超差，如图4和图5所示。
通常，反射镜系统装配后，再进行反射镜面的加工，所以这种变形并不一定带到系统里去。
图4 顶丝预紧力1500n作用下反射镜组件的变形图
图5 顶丝与下锥块0.08mm过盈作用下反射镜组件的变形图
4.结束语
采用有限元中非线性接触算法对反射镜柔性支撑静态稳定性分
析能有效地减小分析误差，提高仿真计算的可靠性。
尤其在多种混合工况下，此算法更具优越性。
同时，为了能更加有效地对球铰支撑大孔径反射镜进行动力学分析，还需要线形分析与非线性分析结合的方法，并结合力学振动试验进行不合理参数修正，因此，此方法为以后的设计奠定了基础，能够很好地提高柔性支撑的设计与分析水平。
参考文献：
[1]刘巨等.用子结构模态综合法求解光学反射镜组件结构动向
应[j].光学技术，2005，31（3）338-343.
[2]孙宝玉.轻型大视场光学遥感器结构动态特性研究[d].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2004.
[3]吴清文等.空间相机中主镜及其支撑方案设计与分析方法[j].光学技术，2004，30（2）153-156.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以pdf格式阅读”。
