随着对空间望远镜性能要求的提高,其结构尺寸增大、装载设备增多、整体质量增加,对支撑结构的布局形式和力学性能提出了更高要求。此外,随着近地轨道空间望远镜在轨维修技术的发展,对支撑结构提出了在轨维修性的新要求。本文以具备在轨维修功能的大型空间望远镜为研究背景,该望远镜具有一个由框梁骨架、蒙皮壁板和维修舱门构成的半硬壳式服务舱用于连接和承载外围部件和设备,其中可在轨开闭的维修舱门为内部模块提供维修通道。服务舱的主体结构采用碳纤维复合材料。本文根据服务舱在力学性能和在轨维修性等方面的要求,开展了复合材料结构连接、维修舱门连接机构、复合材料优化与铺层设计、集成仿真分析与试验等方面的研究,最终使服务舱满足相应的指标要求。1.对服务舱的复合材料结构连接进行研究。首先对服务舱的复合材料结构进行连接设计,骨架由纵梁与横框采用多面胶螺混合连接组成,蒙皮壁板与骨架采用多个螺栓与托板螺母连接。然后根据该连接结构特征制作了一个由骨架和蒙皮构成的复合材料连接组件,对该组件搭建了一套试验工装并进行拉伸试验。试验结果表明,蒙皮与骨架连接的螺栓-螺孔间隙可造成蒙皮与骨架的相对滑动进而降低结构刚度,而提高蒙皮连接螺栓的拧紧力矩、增加蒙皮连接螺栓的数量都能提高结构刚度。之后建立复合材料连接组件的有限元模型,并对仿真模型采用试验数据进行了验证。在有限元模型中对骨架采用不同连接方式进行分析,结果表明,采用胶螺混合连接的结构刚度大于采用螺栓连接的结构刚度,胶层对胶螺混合连接接头的刚度起主要作用。最后,对一个复合材料单搭接板接头进行有限元分析,结果表明,胶螺混合连接接头在胶层损伤后由螺栓继续承载,胶螺混合连接接头比胶接接头具有更高的强度。因此,胶螺混合连接结合了胶接刚度大和螺栓连接强度高的优点,适用于服务舱的主承力骨架结构。2.对维修舱门的不脱出紧固装置和铰链机构进行设计研究。维修舱门在关闭时,与骨架通过不脱出紧固装置进行连接和传力。不脱出紧固装置中的锥销、锥套通过锥面进行配合,法兰式连接螺钉将锥销、锥套连接紧固,既能避免弧形舱门打开时连接件出现卡滞问题,又能高效地传递剪力;限位顶盖能防止连接螺钉的脱出,并具有与电动工具配合的卡槽结构以避免螺钉反扭力矩传递到航天员身上。维修舱门在打开后,通过铰链机构与舱体相连。本文设计了双杆铰链与合页铰链两种方案进行对比,经舱门试验表明,双杆铰链因自由度不唯一而不便于人员关闭舱门操作,而合页铰链自由度唯一、方便人员操作,因此选择合页铰链进行后续研制。为了防止舱门打开后出现漂移,采用圆柱凸轮机构和碟簧使铰链产生阻尼力矩。通过对圆柱凸轮轮廓线的设计,使铰链在舱门关闭状态时不产生阻尼,以避免对舱门关闭操作产生干扰;在舱门打开后,铰链逐渐产生阻尼,最后稳定到恒定值。3.对服务舱复合材料结构进行优化和铺层设计。由于服务舱结构的复杂性,其设计变量很多,本文提出一种简化的复合材料优化方法:根据不同零件的铺层设计原则,将复合材料等效为各向同性材料或纵向模量加强的材料;采用三明治夹心板理论对蜂窝芯子进行等效建模;建立以总重量最小为优化目标、基频和厚度为设计约束、零件厚度为设计变量的优化模型。经过优化求解,服务舱减重效果明显,满足重量设计要求。最后根据优化所得的零件厚度进行复合材料铺层设计,并在铺层设计中使零件的弹性模量接近优化时所等效的弹性模量。4.对服务舱进行集成仿真分析和试验验证。建立包含复合材料铺层参数和承载质量的服务舱有限元模型,进行集成仿真分析。模态分析结果表明,服务舱的基频为16.2Hz,满足刚度设计要求。正弦振动分析结果表明,在初始输入条件下服务舱结构应力过大且前端加速度响应过大,对输入条件下凹后能满足强度安全裕度大于0.5的设计要求。静力学屈曲分析结果表明,面积较大的层合板蒙皮在加筋后改善了局部屈曲现象,满足稳定性安全裕度大于0.3的设计要求。最后,加工制造了服务舱试验件并进行振动试验,试验结果与仿真结果吻合度好,结构未出现破坏和异常,验证了服务舱的力学性能满足设计要求。