极大望远镜宽视场光学光谱仪结构轻量化与碳纤维复合材料应用研究

Thirty Meters Telescope (TMT) is the most advanced extremely large astronomical telescope at this century. The participation in the development of TMT can promote China’s astronomy to the international leading level, help China understand the advanced technologies to build an extremely large telescope, and enhance our astronomical instrument R&D capabilities to a new level. Wide field optical spectrograph (WFOS) is one of the first light instruments. The size of WFOS is larger than all the same type of instruments already build. If the structural system of WFOS adopt the current available design, not only its mass is too large, but its seismic performance is inadequate. To tackle the issue, it is proposed to apply the high-performance carbon fibre reinforced polymer (CFRP) to the WFOS structure, and to investigate (1) the selection of the WFOS structural system, i.e. a comparison between the truss and shell-plate design schemes; (2) the integration of WFOS CFRP materials and structure based on its thermal deformation; (3) the WFOS CFRP structural behaviour under normal conditions; (4) the seismic performance of the WFOS CFRP structure. The analytical method for the selection of structural system of WFOS will be developed. The feasibility for the application of CFRP to WFOS structure will be addressed. The seismic performance evaluation of WFOS structure will be performed. The findings of this project not only can be used in the design and manufacturing of the WFOS structure, but can be extensively applied to the development of terminal instruments for our own large telescope, and lay a solid scientific foundation for building extremely large telescopes in China.

三十米望远镜（TMT）是本世纪最先进的极大望远镜，参加TMT建设将使中国有资格站在天文学研究的前沿，掌握建造极大望远镜的先进技术，提高天文科学仪器研发水平。宽视场光学光谱仪（WFOS）为TMT的首批重要出光仪器，其体量远超既有同类仪器，其结构体系若沿用既有设计方案不但质量大，而且抗震性能不足，WFOS结构轻量化需求迫切。针对这一需求，本项目将高性能碳纤维复合材料应用于WFOS结构，拟开展⑴WFOS结构选型-桁架与板壳结构质量与性能对比；⑵基于热变形的WFOS复合材料与结构一体化研究；⑶正常使用条件下WFOS复合材料结构性能分析；⑷WFOS复合材料结构抗震性能研究。将提出极大望远镜仪器结构选型分析方法，阐明碳纤维复合材料应用于WFOS结构的可行性，建立WFOS结构抗震性能评估方法。研究成果不仅可用于TMT建造，还将广泛应用于我国大型望远镜终端仪器研制，为自行建造极大望远镜提供科学技术支撑。

三十米望远镜（TMT）是多国共建的国际合作项目，是本世纪最先进的极大光学望远镜之一，参加TMT建设将使中国站在天文学研究的前沿，掌握建造极大望远镜的先进技术，提高天文科学仪器研发水平。宽视场光学光谱仪（WFOS）为TMT的首批重要出光仪器，其尺寸远大于现有同类仪器，其结构体系若沿用既有设计方案不但质量大，而且抗震性能不足，WFOS结构轻量化需求迫切。针对这一需求，本项目将高性能碳纤维复合材料应用于WFOS结构，开展了⑴WFOS结构选型-桁架与板壳结构质量与性能对比；⑵基于热变形的WFOS复合材料与结构一体化研究；⑶正常使用条件下WFOS复合材料结构性能分析；⑷WFOS复合材料结构抗震性能研究；(5)WFOS概念设计方案结构性能分析与优化。建立了极大望远镜仪器结构选型轻量化分析方法；发展了基于等代刚度理论的宽视场光谱仪复合材料板壳结构有限元模拟方法；基于复合材料尺寸优化和铺层顺序优化理论，完成了宽视场光谱仪复合材料板壳结构的构件优化设计，证明了碳纤维复合材料应用于WFOS结构的可行性；建立了WFOS结构抗震性能有限元模拟与分析评估方法；完成了WFOS概念设计方案的结构性能分析和优化设计，得到了满足设计要求的轻量化WFOS结构。研究成果发表国内外学术论文16篇，其中SCI期刊论文8篇、中国期刊论文7篇。授权发明专利6项。培养博士研究生2人，硕士研究生7人。研究成果已经应用于TMT-WFOS的方案设计，还将广泛应用于我国大型望远镜终端仪器研制，为自行建造极大望远镜提供科学技术支撑。