为适应现代靶场测量技术的发展,光电经纬仪逐渐向大口径、高分辨力、高跟踪精度和高指向精度的方向发展,依托传统经验设计的光电经纬仪面临着新的挑战。随着经纬仪口径的增大,主镜支撑状态下的面形精度越来越难保证;经纬仪附件和搭载的小口径光学系统变多,使其重量和体积不断增大,导致其基频下降,影响其伺服控制的带宽。另外,经纬仪重量大幅增加也会限制其机动灵活性及依附的平台类型。本文对光电经纬仪的主镜支撑、非线性振动及轻量化方面进行了研究,主要包括以下内容。(1)研究了考虑接触边界条件的经纬仪主镜面形精确仿真分析及光学支撑结构轻量化方法。采用接触边界条件的方法建立了详细的主镜支撑系统的有限元模型,使得仿真的边界条件与实际情况更加接近,提升了主镜面形仿真分析精度。在主镜面形的精确仿真的基础上采用连续体拓扑优化方法对主镜支撑关键零件进行了优化设计。采用连续体拓扑优化设计方法对透射式红外镜头的支撑结构进行了拓扑优化设计,在拓扑优化中实现网格自适应,提升拓扑优化结果的连续性。(2)提出了基于等效接触刚度法的非线性振动特性仿真分析方法,对光电经纬仪跟踪架进行了非线性振动分析及实验验证。经纬仪的跟踪架结构中含有水平和方位两个轴系,并且结构中大量使用螺栓连接,跟踪架的振动特性具有很强的非线性,采用传统的连接简化的线性振动分析方法误差较大。本文提出一种等效接触刚度的方法来仿真复杂装配体结构的非线性振动特性,并把该方法在经纬仪跟踪架结构的非线性振动特性仿真分析中进行了工程应用。开展了跟踪架振动台激励振动实验及伺服电机激励振动实验,对仿真结果进行了实验验证。(3)提出了基于连续体模型的刚度目标及频率目标拓扑优化方法,对小型光电经纬跟踪架结构进行了轻量化设计。以带权重的多阶频率为优化目标,对跟踪架结构进行了有针对性地拓扑优化设计,获得了提升结构综合振动性能的拓扑构型。结合刚度目标和频率目标拓扑优化得到的结果对跟踪架进行了详细设计。(4)采用连续体及刚架模型拓扑优化方法对大型刚架式光电经纬跟踪架结构进行了轻量化设计。开发了基于三维Euler梁单元的刚架拓扑优化设计方法的拓扑优化程序,在拓扑优化程序中实现了多工况拓扑优化的快速算法及空间几何对称约束的施加。结合连续体及刚架模型的拓扑优化结果开展了1m口径大型刚架式经纬仪跟踪架关键承载零件的优化设计,实现了跟踪架的大幅轻量化,同时有效提升了其支撑刚度及结构基频。