大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化

顾伯忠; 陈萌; 乐中宇

doi:10.37188/OPE.20212909.2116

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大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-10-08

- 大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化
- Optimization of carbon fiber truss element for primary mirror chamber of large telescope
- 光学精密工程 2021年29卷第9期页码：2116-2125
- 作者机构：
  
  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 210042
  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 210042
  3.中国科学院大学，北京 100049
- 作者简介：
  
  [ "顾伯忠（1965-），男，浙江慈溪人，研究员，博士生导师，1987年于浙江大学获得学士学位，现为中国科学院南京天文光学技术研究所望远镜工程中心主任，主要从事天文望远镜总体及机械结构等方面的研究。E-mail：bzhgu@niaot.ac.cn" ]
  [ "陈　萌（1995-），女，安徽安庆人，硕士研究生，2014年于北京科技大学获得学士学位，主要从事天文望远镜结构优化与设计的研究。E-mail：mchen2018@niaot.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(11703057)
- DOI：10.37188/OPE.20212909.2116
  中图分类号： TP751
- 收稿日期：2021-02-02，
  
  修回日期：2021-03-11，
  
  纸质出版日期：2021-09-15
- 稿件说明：
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顾伯忠,陈萌,乐中宇.大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化[J].光学精密工程,2021,29(09):2116-2125.

GU Bo-zhong,CHEN Meng,YUE Zhong-yu.Optimization of carbon fiber truss element for primary mirror chamber of large telescope[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2116-2125.
顾伯忠,陈萌,乐中宇.大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化[J].光学精密工程,2021,29(09):2116-2125. DOI： 10.37188/OPE.20212909.2116.

GU Bo-zhong,CHEN Meng,YUE Zhong-yu.Optimization of carbon fiber truss element for primary mirror chamber of large telescope[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2116-2125. DOI： 10.37188/OPE.20212909.2116.

摘要

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8.306×10

N/m，实验测得为7.463×10

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。

Abstract

To meet the increasing demand of optical infrared telescopes and reduce the driving power， carbon fiber composite materials are used to carry out lightweight research on the main mirror truss of the telescope. The layout of carbon fiber composite truss element in the telescope's primary mirror chamber was optimized， and the evolution algorithm was used to select the optimal layout. The truss element of the telescope's primary mirror chamber was modeled， and the sensitivity analysis and evolution algorithm were used to select the best layup scheme. Three typical layup schemes were utilized for comparison. Static analysis and loading experiment are performed on the truss rod element. The six-bar triangular pyramid unit assembled by the rods is subjected to modal analysis and vibration test. The comparison of finite element analysis and experimental results show that the optimal layup plan is ［±45°/90°/0°/90°/0°］s. The equivalent axial stiffness obtained by the finite element analysis of the truss bar element of this scheme is 8.306×10

N/m， and the experimental measurement is 7.463×10

N/m； the equivalent radial stiffness obtained by the finite element analysis is 3 968.3 N/m， and the experimental measurement is 3 344.5 N/m. The modal analysis of the six-bar triangular pyramid element of this scheme shows that the first-order frequency is 93.699 Hz， and the first-order frequency is 84.683 Hz measured by the vibration experiment. The weight of the composite truss rod is 77.6% lighter than the steel structure of the same size， static and dynamic properties are better than steel rods of the same weight. The results of finite element analysis and experimental verification of the best layup scheme indicate that its static and dynamic properties are better than other schemes.

关键词

Keywords

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