Optimal design of parameters of the six-hardpoint positioning mechanism for large aperture primary mirror

YU Zhiyuan; WU Xiaoxia; WANG Fuguo

doi:10.37188/OPE.20233102.0200

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Optimal design of parameters of the six-hardpoint positioning mechanism for large aperture primary mirror

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2023-02-08

- Optimal design of parameters of the six-hardpoint positioning mechanism for large aperture primary mirror
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 2, Pages: 200-213(2023)
- 作者机构：
  
  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
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233102.0200
  CLC： TH751
- Received：15 September 2022，
  
  Revised：11 October 2022，
  
  Published：25 January 2023
- 稿件说明：
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于致远,吴小霞,王富国.大口径主镜的六杆硬点定位机构参数优化[J].光学精密工程,2023,31(02):200-213.

YU Zhiyuan,WU Xiaoxia,WANG Fuguo.Optimal design of parameters of the six-hardpoint positioning mechanism for large aperture primary mirror[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(02):200-213.
于致远,吴小霞,王富国.大口径主镜的六杆硬点定位机构参数优化[J].光学精密工程,2023,31(02):200-213. DOI： 10.37188/OPE.20233102.0200.

YU Zhiyuan,WU Xiaoxia,WANG Fuguo.Optimal design of parameters of the six-hardpoint positioning mechanism for large aperture primary mirror[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(02):200-213. DOI： 10.37188/OPE.20233102.0200.

摘要

为了保证4 m口径碳化硅主镜的六杆硬点定位系统有足够高的固有频率，对六杆硬点定位机构的构型参数进行了优化设计。首先，推导了主镜六杆硬点定位系统的动力学方程和固有频率方程，建立了机构的构型参数、硬点的轴向刚度、主镜的质量和惯量与主镜系统的固有频率之间的函数关系；接着，通过有限元分析获得了用于4 m碳化硅主镜定位的硬点的轴向刚度；然后，基于固有频率方程，以最大化4 m碳化硅主镜系统的一阶固有频率为目标，使用遗传算法对六杆硬点定位机构的构型参数进行优化；最后，对最优构型下的4 m碳化硅主镜系统进行了模态分析。硬点的轴向刚度为33.044 N/μm，优化后的4 m碳化硅主镜系统的一阶固有频率达到30.83 Hz，相对初始值有较大提高。优化方法可以有效提高主镜六杆硬点定位系统的一阶固有频率。

Abstract

To ensure that the six-hardpoint positioning system of a 4m silicon carbide （SiC） primary mirror has a sufficiently high natural frequency， the configuration parameters of a six-hardpoint positioning mechanism are optimized. First， dynamic and natural frequency equations of the six-hardpoint positioning system of the primary mirror are derived， and the functional relationship between the configuration parameters of the mechanism， axial stiffness of the hardpoint， mass and inertia of the primary mirror， and natural frequency of the system are established. Next， finite element analysis is used to determine the axial stiffness of the hardpoint used in positioning the mirror. Based on the natural frequency equation and with the goal of maximizing the first-order natural frequency of the mirror system， the configuration parameters of the six-hardpoint positioning mechanism are optimized using a genetic algorithm. Finally， a modal analysis of the mirror system under the optimal configuration is conducted. The axial stiffness of the hardpoint was 33.044 N/μm. Under the optimized configuration parameters， the first-order natural frequency of the 4m SiC primary mirror system reached 30.83 Hz， which is a significant improvement over the initial value. The optimization method can effectively improve the first-order natural frequency of the six-hardpoint positioning system of a primary mirror.

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