中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

下一代大型光谱巡天望远镜（ESST）对主镜桁架的刚度、轻量化和热稳定性提出严格要求。本文以ESST望远镜12米主镜桁架为研究对象，围绕结构构型设计、参数化建模、多目标优化和混合材料方案展开系统研究。
首先，基于Whiffletree支撑原理完成子镜布局与支撑点计算。主镜由84块六边形子镜组成，从第三圈至第六圈依次排列12、18、24、30块。支撑点分布圆半径确定为416 mm。设计了120°对称三扇区的五层空间桁架结构，通过对比四种底层节点布置方案的优化结果，选择结构一为最优基础构型，其最大位移0.490 mm，质量15999.9 kg。
其次，建立MOGA全局搜索与MISQP局部精调相结合的两步优化策略，明确34个设计变量取值范围，以质量≤16 t为约束、支撑点最大位移最小化为优化目标，构建基于APDL和Workbench的自动化优化平台。
在材料性能分析方面，对比碳纤维复合材料（T700S）和Q235钢的性能及成本。纯钢方案最大位移0.490 mm、成本192万元；纯碳纤维方案（CFRP-1）最大位移0.139 mm、成本1279万元；以位移≤0.5 mm为约束的纯碳纤维轻量化方案（CFRP-2）质量4514 kg、成本361万元。三种方案各有优劣，明确混合材料设计的必要性。
基于杆件功能分类，将桁架杆件划分为10类，提出逐类替换的材料分区优化策略。引入性价比指标CPR评价单位成本效益，确定方案1（替换第1类外围固定杆）为最优混合方案。该方案碳纤维用量8.14%，最大位移0.404 mm，成本280万元。与纯钢方案相比位移减小17.6%；成本仅为CFRP-1的22%，且优于CFRP-2的位移和成本。
最后对方案1进行全面有限元验证。静力学分析显示天顶指向位移0.404mm、地平指向位移0.120 mm；模态分析显示基频40.72 Hz，高于30 Hz设计要求；热稳定性分析显示50∘C温差下热变形3.53 mm，在促动器行程内可主动补偿；节点热应力分析验证对接接头可靠性；抗震分析显示8.8级地震下位移响应约0.012 mm。
综合结果表明，方案1以8.14%碳纤维用量实现刚度、热稳定性和动态特性全面优于纯钢方案，成本仅为纯碳纤维方案的22%，为ESST提供了高性价比的工程解决方案。