空间相机反射镜组件的随机振动疲劳分析

【摘要】空间相机是航天遥感卫星的关键有效载荷，是空间对地观测的主要手段之一，受到各国的重视。反射镜组件作为其光学系统的组成，所经受的力学环境主要来自地面试验、运载、发射以及在轨飞行，它直接关系到空间相机的稳定性，进而关系到遥感卫星的成像质量。随机振动是力学环境中影响反射镜组件的关键因素，载荷引起的振动会对结构造成损伤的累积，某些部件将产生疲劳破坏。而疲劳失效作为机械构件故障的一种常见形式，在各个领域都已成为人们的重点研究对象。本文以某空间相机反射镜组件为研究对象，在分析国内外空间相机和振动疲劳理论研究现状的基础上，重点利用有限元法对反射镜组件进行了疲劳寿命的仿真研究，主要进行了以下几个方面的工作：（1）介绍了国内外空间相机和振动疲劳的研究概况和发展趋势，论述了疲劳和有限元的相关理论。（2）在MSC.Patran中建立反射镜组件的有限元模型，根据实际情况对模型进行适当的简化。选择合适的单元类型，进行自动和手动的网格划分，定义了反射镜组件的材料属性和约束方式。（3）对反射镜组件进行了模态分析，利用MSC.Nastran提取了反射镜组件前十阶的固有频率和振型。分析结果表明反射镜组件的刚度较好，可以有效避免因谐振造成的结构的破坏，从而保证空间相机的成像质量。（4）之后，对反射镜组件做了单位加速度的频率响应分析。根据分析的结果，可以得出反射镜组件的各节点应力和加速度与载荷激励频率之间的关系，直观地看到结构中响应的分布。同时，得到的频率响应曲线即为系统的传递函数，是进行随机振动疲劳分析的基础。（5）利用上述的分析结果，结合反射镜组件的载荷数据和材料的疲劳特性，在MSC.Fatigue平台上对反射镜组件进行疲劳寿命的分析。通过分析，得出了反射镜组件的疲劳寿命分布和最大疲劳损伤点。根据疲劳计算结果进行了影响因素的灵敏度分析和结构参数的优化，以及优化后结构的疲劳寿命分析。（6）对反射镜组件进行力学试验验证。通过试验结果和模态响应分析的比较，验证了反射镜组件有限元模型建立的合理性和可行性。通过试验结果和疲劳寿命分析的对比，证明了分析结果的准确性和分析方法的可靠性。研究结果表明，反射镜组件在经过优化后可以满足设计要求，在严酷的力学环境下，能够保证安全地工作。实现了在设计阶段对反射镜组件的疲劳寿命的预测，可以减少试验时间和经费，缩短开发周期，降低设计成本，为反射镜组件的设计提供一定的参考依据。
【作者】许天资；
【导师】辛宏伟；何欣；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，光学工程，2013，硕士
【关键词】反射镜组件；随机振动；疲劳；模态分析；频率响应；有限元法；

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