中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

现代天文望远镜技术的发展使得制造集光能力更强、口径更大的望远镜提上日程，使用比刚度高的新材料对望远镜结构进行轻量化是天文望远镜技术的重要发展方向。对于大型望远镜，主镜室一般采用桁架结构，主镜室桁架是镜筒中的重量级部件，它的轻量化对于镜筒乃至整个望远镜结构的轻量化具有重要意义。

碳纤维复合材料具有密度低、比刚度高、比强度高、热膨胀系数小等特点，是较为理想的主镜室桁架材料。

本文围绕大型光学红外望远镜主镜室桁架应用碳纤维复合材料这一主题展开了系统的研究。
 
首先，针对碳纤维复合材料铺层的方案对桁架刚度的影响进行了研究。详细研究了碳纤维复合材料的设计原则、力学计算方法及材料选取；采用经典层合板理论建立了碳纤维层合板的理论模型；基于Opti SLang模块，通过有限元分析优化出了最合适的碳纤维准各向同性铺层方式[±45°/90°/0°/90°/0°]s，使得碳纤维复合材料桁架具有较好的承载能力；设置三种其他典型铺层方案的桁架杆模型及归一化后的钢杆模型，并进行了对比研究。
 
其次，构造直径30mm，厚度1mm，长度800mm，铺层数为10层的碳纤维复合材料桁架杆模型。对桁架杆受力后的变形进行研究，利用有限元仿真得出各方案碳纤维复合材料杆的等效轴向刚度及等效径向刚度，其中最优方案有限元模拟得到的等效轴向刚度为8.306×10E6 N/m，等效径向刚度为3968.3N/m，力学性能优于其他方案，并通过实验验证了有限元分析的准确性。
 
然后，针对复合材料桁架杆构造的六杆三棱锥基本单元进行研究，利用有限元仿真研究桁架基本单元在高度角为90°和高度角为0°时的自重变形及加载后的变形特征，进一步说明最优铺层方案的静力学性能优越性；利用有限元仿真得出基本单元的一阶固有频率及振型，其中最优方案基本单元基频为93.699Hz，高于其他方案一阶固有频率，并利用振动试验验证了模态分析的正确性。
 
最后针对碳纤维复合材料桁架整体进行研究，观察整体变形特征，得出结论，在相同变形的情况下，使用碳纤维复合材料代替传统钢材重量减轻约10.45%，具有一定的轻量化效果。

本文系统地研究了碳纤维复合材料桁架的优化设计，通过对碳纤维复合材料桁架杆、桁架基本单元、桁架整体的有限元分析和一系列实验，验证了碳纤维复合材料的优越性能。研究表明碳纤维复合材料可以用于大型望远镜主镜室桁架的轻量化，本文的研究内容为我国大型红外光学望远镜的结构轻量化提供了重要借鉴意义。