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长条形空间反射镜无热化胶层的优化设计

李梦庆 张雷 邢利娜 李宗轩

李梦庆, 张雷, 邢利娜, 李宗轩. 长条形空间反射镜无热化胶层的优化设计[J]. 中国光学(中英文), 2016, 9(6): 704-712. doi: 10.3788/CO.20160906.0704
引用本文: 李梦庆, 张雷, 邢利娜, 李宗轩. 长条形空间反射镜无热化胶层的优化设计[J]. 中国光学(中英文), 2016, 9(6): 704-712. doi: 10.3788/CO.20160906.0704
LI Meng-qing, ZHANG Lei, XING Li-na, LI Zong-xuan. Optimization design of athermal adhesive for rectangular space mirror[J]. Chinese Optics, 2016, 9(6): 704-712. doi: 10.3788/CO.20160906.0704
Citation: LI Meng-qing, ZHANG Lei, XING Li-na, LI Zong-xuan. Optimization design of athermal adhesive for rectangular space mirror[J]. Chinese Optics, 2016, 9(6): 704-712. doi: 10.3788/CO.20160906.0704

长条形空间反射镜无热化胶层的优化设计

doi: 10.3788/CO.20160906.0704
基金项目: 

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目 No.2012AA121502

详细信息
    作者简介:

    李梦庆(1985-),男,内蒙古通辽人,硕士研究生,2011年于武汉大学获得学士学位,主要从事长条形空间反射镜轻量化及消热化设计方面的研究。E-mail:limengqing10000@163.com

    通讯作者:

    张雷(1982—),男,山东菏泽人,副研究员,2003年于东北大学获得学士学位,2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事空间遥感器的结构设计及分析方面的研究。E-mail:18686344285@163.com

  • 中图分类号: TH751+.1

Optimization design of athermal adhesive for rectangular space mirror

Funds: 

Supported by National High-tech R&D Program of China No.2012AA121502

More Information
  • 摘要: 为了实现尺寸为1 200 mm×484 mm的大长宽比长条形空间反射镜的无热装配,减小反射镜面形精度受热应力的影响,本文对环氧胶(GHJ-01(Z))胶层厚度对反射镜面形的影响及胶层在静、动力学载荷下的应力进行了研究。首先,介绍了现有的几种基于胡克定律推导的无热粘结厚度方程及其假设条件,并推导了带有锥度的背部盲孔反射镜无热粘结胶层厚度的方程,得出无热粘结胶层厚度曲线;然后,建立了6种不同胶层厚度的反射镜组件模型并进行了分析与比较。通过分析,在+5℃温升工况下,反射镜胶层厚度为0.07 mm时具有最好的面形精度,其RMS值0.0178λ,其检测方向在自重作用下的面形精度RMS值为0.0173λ,一阶频率为220.17 Hz;最后对胶层无热化设计后的反射镜组件进行了振动试验和粘结剂剪切强度试验,分析与试验表明:反射镜组件一阶频率为216.4 Hz,与有限元分析结果相对误差为1.71%;满足动静态刚度要求;同时,在动力学载荷下该厚度胶层的应力均小于其固化后的抗剪强度,安全裕度为2.46;各项指标满足设计要求。

     

  • 图 1  粘接零部件结构图

    Figure 1.  Sketch of bonded parts

    图 2  胶层应力示意图

    Figure 2.  Diagram of adhesive stress of epoxy layer

    图 3  胶层厚度随盲孔半径变化图

    Figure 3.  Adhesive′s thickness change as radius of blink hole

    图 4  (a)反射镜装配剖面图;(b)反射镜组件有限元模型;(c)镶嵌件有限元模型;(d)局部放大胶层模型

    Figure 4.  (a)Section of primary mirror assembly; (b)finite element model; (c)finite element model of the mosaic; (d)enlarged adhesive model

    图 5  不同反射镜模型粘接处最大应力拟合曲线

    Figure 5.  Fitting curve of the maximum stresses in different mirror mode

    图 6  胶层厚0.07 mm的反射镜热应力云图

    Figure 6.  Stress nephogram of mirror with 0.07 mm adhesive

    图 7  不同胶层厚度反射镜RMS的拟合曲线

    Figure 7.  Fitting curve of primary mirror′s RMS with different adhesive thicknesses

    图 8  胶厚0.07 mm的反射镜在热载荷下的面形图

    Figure 8.  Cloud chart of primary mirror′s surface figure with 0.07 mm adhesive

    图 10  反射镜组件振动试验现场

    Figure 10.  Scenes of mirror components′ vibration test

    图 11  Y向随机试验前的0.2 g扫频曲线

    Figure 11.  0.2 g sweep curve of Y direction before random vibration test

    图 12  反射镜Y向随机振动的加速度响应曲线

    Figure 12.  Acceleration response curves of mirror in Y direction

    图 13  粘结剂(GHJ-01(Z))粘接镶嵌件的拉伸试验

    Figure 13.  Tensile test of the glue(GHJ-01(Z)) bonding the inlay of mirror component

    表  1  材料属性参数

    Table  1.   Material property parameters

    ρ/(kg·mm-3)E/MPaα/(10-6·℃-1)ν
    SiC3.05×10-63.30×1052.70.27
    4J328.10×10-61.41×1052.40.25
    Epoxy1.22×10-6158.62(20 ℃) 72(≧20 ℃)0.495
    TC44.40×10-61.09×1059.10.34
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    表  2  反射镜在重力场下的分析结果

    Table  2.   Analysis results of mirror under gravity

    XYZ
    RMS0.0062λ0.0173λ0.0355λ
    PV0.0268λ0.0843λ0.1643λ
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    表  3  反射镜组件的模态

    Table  3.   Mode of primary mirror assembly

    阶数频率/Hz振型
    1220.17反射镜绕Z轴摆动
    2246.56反射镜绕Y轴摆动
    3253.05反射镜沿Y向振动
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    表  4  反射镜组件中胶层的峰值应力和最大应力

    Table  4.   Peak and maximum stress of epoxy in the primary mirror assembly

    XYZ
    正弦峰值应力/MPa9.210.912.3
    最大随机应力/MPa5.16.98.6
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    表  5  随机振动试验的力学条件

    Table  5.   Mechanical condition of random vibration test

    频率范围/Hz功率谱密度/(g2·Hz-1)总均方根值/(gRMS)
    10~60+3.0 dB/oct
    60~2000.12
    200~3008.2
    300~8000.04
    800~2 000-6.0 dB/oct
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-06-08
  • 修回日期:  2016-08-12
  • 刊出日期:  2016-12-01

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