蜂窝椭圆反射镜的孔结构设计研究

　　0　引言

　　作为新一代的反射镜材料,短切碳纤维增强碳化硅复合材料(C/SiC复合材料)具有低密度、低热膨胀、高热导、轻量化加工容易实现、制备工艺相对简单、组分可设计、性能可调节等优点,这使其成为现代反射镜的重要候选材料[1-3].

　　空间相机上应用的反射镜一般需要进行轻量化,但不同的轻量化结构形式对应着不同的性能[4-5].目前,由于材料制备工艺的限制,反射镜结构形式的研究主要是基于刚度较差的背部开口结构开展,而独特的连接工艺使得C/SiC复合材料可以实现刚度更好的蜂窝结构的制备[6-7],这便使得针对C/SiC复合材料开展蜂窝反射镜的结构设计具有更加现实的意义.

　　孔设计是蜂窝结构设计的重要内容[8].目前反射镜的孔设计主要是基于孔形状开展,还未见有孔排布形式的研究,反射镜的设计指标也以质量、自重变形等为主[9-11].本文以六方形孔作为研究对象,综合考察了不同孔排布形式、不同孔尺寸下C/SiC复合材料蜂窝椭圆反射镜的质量、转动惯量、自重变形、加工变形和热变形,最后选出了优化的孔排布形式和孔尺寸.

　　1　材料参量、性能参量、孔排布形式以及设计方法

　　C/SiC复合材料由多孔C/C素坯和气相Si经气相反应工艺制备,采用的C/C素坯密度的密度为,渗硅后制备出的C/SiC复合材料样品的密度、弹性模量和泊松比分别为2.90 g·cm-3、259.18 GPa和0.21,并以此作为孔结构设计的材料参量.

　　对于椭圆反射镜,由于存在面形准确度和轻量化的要求,因此在蜂窝椭圆反射镜的孔镜结构设计中要考虑:质量、转动惯量、自重变形、加工变形和热变形等参量[12-14].

　　蜂窝椭圆反射镜存在多种孔排布形式,这源于其外观尺寸的不对称(椭圆镜的长、短轴分别为700 mm和500 mm)和支撑方式的对称(短轴边缘侧向支撑),经研究,六方形孔的主要排布形式见图1.

　　蜂窝椭圆反射镜的孔结构选用结构有限单元法和热有限单元法,前者用于分析反射镜的质量、转动惯量、自重变形和加工变形,而后者用于分析反射镜的热变形.

　　2　结果与讨论

　　2.1　离散误差分析及离散单元尺寸选取

　　为了提高蜂窝椭圆反射镜的的孔结构设计的分析准确度,应尽可能地降低结构离散误差,因而在进行椭圆反射镜的孔结构设计之前,应进行蜂窝椭圆反射镜的离散误差的研究.

　　1)离散误差分析

　　离散误差分为几何离散误差和物理离散误差[15],几何离散误差是由离散后的组合体与原有结构在几何形状上的差异所引起.物理离散误差是由选用的插值函数与真实函数之间的差异所产生.离散误差主要受离散单元类型和离散单元尺寸的影响.较小的离散单元尺寸和较高阶次的插值函数(单元阶次)可获得较小的离散误差.为了减小蜂窝椭圆反射镜这种复杂结构的几何离散误差和物理离散误差,本文选取了具有高阶插值函数的空间四面体单元Solid 92来离散椭圆反射镜,因此离散误差主要由离散单元尺寸决定.