姚海艷
(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 綿陽(yáng) 621000)
某機(jī)載光電系統(tǒng)光學(xué)基座高低溫環(huán)境適應(yīng)性數(shù)值仿真研究
姚海艷
(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 綿陽(yáng) 621000)
本文運(yùn)用ABAQUS的結(jié)構(gòu)熱分析模塊對(duì)某機(jī)載光電系統(tǒng)光機(jī)座的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了數(shù)值仿真研究,并依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果優(yōu)選出光學(xué)基座的設(shè)計(jì)方案。最終設(shè)計(jì)方案三不僅重量可滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)小于20kg;且滿足機(jī)載高低溫范圍內(nèi),光學(xué)基座熱形變滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求小于0.2mm,強(qiáng)度安全。
有限元模型;仿真結(jié)果與討論;光電系統(tǒng)
光電技術(shù)是以激光、紅外和微電子技術(shù)為基礎(chǔ),由光學(xué)、電子、精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而形成的一個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域。光電經(jīng)緯儀或其它地基光電跟蹤設(shè)備,在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面,均形成了較為完整的理論。而機(jī)載光電系統(tǒng)不僅包括精密儀器的設(shè)計(jì),還要考慮精密儀器的載機(jī)環(huán)境,尤其是高低溫環(huán)境的適應(yīng)性問(wèn)題。光機(jī)系統(tǒng)中的光學(xué)基座設(shè)計(jì),作為光電元器件的承載平臺(tái),不僅要考慮安裝在其上的光電元器件的安全性,保證光機(jī)系統(tǒng)的高精度與可靠性,還要考慮自身在機(jī)載環(huán)境下的熱變形和溫度場(chǎng)分布是否滿足設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在機(jī)載高低溫環(huán)境中,清晰穩(wěn)定成像跟蹤需求。
目前,機(jī)載設(shè)備的高低溫環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題主要通過(guò)兩種途徑解決,一種是采取改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施,通過(guò)添加輔助設(shè)備,如環(huán)控系統(tǒng)來(lái)改善光機(jī)所處的機(jī)載環(huán)境;另一種是選用耐環(huán)境能力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)、材料、元器件或工藝等,即通過(guò)改善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高光機(jī)系統(tǒng)的耐環(huán)境能力。本文主要通過(guò)第二種途徑的研究,來(lái)提升光機(jī)系統(tǒng)高低溫環(huán)境適應(yīng)性。計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真,可在設(shè)計(jì)初期就獲取豐富的分析數(shù)據(jù),對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,且周期短、成本低,便于實(shí)現(xiàn)。
為此,基于ABAQUS結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)某機(jī)載光電系統(tǒng)光學(xué)基座高低溫環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。通過(guò)光學(xué)基座的數(shù)值仿真分析,在綜合考慮結(jié)構(gòu)熱形變、強(qiáng)度、重量、及加工工藝等因素下,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn),獲取一個(gè)滿足系統(tǒng)要求的光學(xué)基座設(shè)計(jì)方案。
建立有限元分析模型包括三維結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置。之后依據(jù)具體分析類型,進(jìn)行約束與載荷施加,選擇計(jì)算類型進(jìn)行仿真,分析結(jié)果。
1.1模型簡(jiǎn)化
根據(jù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流,以及熱輻射等方面的理論依據(jù),結(jié)合具體的分析對(duì)象和分析內(nèi)容簡(jiǎn)化有限元分析模型,確定被分析部件的簡(jiǎn)化方式與程度。本文研究光學(xué)基座的高低溫環(huán)境適應(yīng)性,所以文中光學(xué)基座為詳細(xì)模型,其上光電元件均簡(jiǎn)化為等效質(zhì)量塊,系統(tǒng)有限元模型如圖1所示。
1.2網(wǎng)格劃分
該系統(tǒng)三維模型簡(jiǎn)化后,以iges格式導(dǎo)入ABAQUS中,采用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。三個(gè)光學(xué)基座方案的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2(a)~(c)所示。
1.3材料屬性
本文中設(shè)計(jì)方案的材料主要有銦36,硬鋁合金7075,以及各簡(jiǎn)化部件的等效材料,見(jiàn)表1。由于各光學(xué)支路的鏡座和光電器件的安裝支架均采用硬鋁合金材質(zhì),所以等效材料時(shí),使用重量等效原理,與鋁合金的材料性能相近。
1.4邊界與載荷施加
機(jī)載高低溫環(huán)境有限元仿真的工況邊界與載荷見(jiàn)表2。系統(tǒng)通過(guò)6個(gè)安裝點(diǎn)處的不銹鋼螺栓與機(jī)體固定約束,所以在結(jié)構(gòu)熱分析中,將根據(jù)不同材料的熱膨脹系數(shù)不同,將該約束處理為螺紋孔內(nèi)壁的平面內(nèi)約束。光學(xué)基座的下表面安裝光電元器件,上表面有載機(jī)提供的5℃氣源吹過(guò)進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流,所以光學(xué)基座上表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的散熱效率。
圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化后有限元模型
圖2
該光電系統(tǒng)正常工作時(shí)受載機(jī)高低溫環(huán)境影響,可能會(huì)出現(xiàn)成像質(zhì)量差,不能穩(wěn)定跟蹤與瞄準(zhǔn)等,甚至結(jié)構(gòu)的破壞。對(duì)于三種方案的結(jié)構(gòu)熱分析結(jié)果見(jiàn)表3。
該光電系統(tǒng)機(jī)載環(huán)境溫度范圍-55℃~70℃:系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光機(jī)座熱變形要求嚴(yán)苛,因此方案一選用了線膨脹系數(shù)較小的銦36鋼材料。但該材料密度較大,經(jīng)詳細(xì)減重設(shè)計(jì)后,即使在結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)筋僅2mm厚,且局部熱應(yīng)力已超過(guò)材料許用應(yīng)力的情況下,其重量仍不滿足要求,具體分析結(jié)果見(jiàn)表3。
方案一中的銦鋼光機(jī)座雖熱膨脹系數(shù)小,但其熱傳導(dǎo)性也差,溫度場(chǎng)分布不均勻,溫度梯度大,產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力集中。且其重量超過(guò)了20kg的設(shè)計(jì)限制,固不滿足設(shè)計(jì)要求。因此在方案一的基礎(chǔ)上,綜合材料力學(xué)和熱力學(xué)特性,選用硬鋁7075。該種材料是一種高強(qiáng)度的鋁合金,尤其在T6狀態(tài)下,可加工性好,且性價(jià)比高。方案二著重減小溫度梯度和重量,使溫度場(chǎng)更為均勻,重量滿足設(shè)計(jì)要求。但是由于鋁合金熱膨脹系數(shù)較大,導(dǎo)致其最大熱形變值達(dá)到0.42mm,超過(guò)0.2mm的設(shè)計(jì)要求,固亦不滿足設(shè)計(jì)要求。
在方案二的基礎(chǔ)上,針對(duì)熱形變較大的問(wèn)題,對(duì)光學(xué)基座的上表面加強(qiáng)筋進(jìn)行了散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。并進(jìn)一步進(jìn)行減重設(shè)計(jì)和提高加工工藝性,減輕加工應(yīng)力對(duì)光機(jī)座精度的影響,最終完成了方案三的設(shè)計(jì)。有限元結(jié)構(gòu)70℃環(huán)境下的熱分析溫度場(chǎng)和熱形變結(jié)果如圖3所示。
綜合以上三種方案,最終選擇各方面滿足設(shè)計(jì)要求的方案三,開(kāi)展該光電系統(tǒng)的光學(xué)基座設(shè)計(jì)。該基座在滿足最大熱形變小于0.2mm的情況下,比原設(shè)計(jì)指標(biāo)減重2.3kg,說(shuō)明有限元分析手段是結(jié)構(gòu)在嚴(yán)酷環(huán)境下設(shè)計(jì)和優(yōu)化的有效途徑。
綜上所述,本文使用有限元分析手段,對(duì)光電系統(tǒng)中的光機(jī)座進(jìn)行有限元高低溫環(huán)境下的有限元分析,根據(jù)分析結(jié)果,得出在有強(qiáng)迫對(duì)流的條件下,熱膨脹系數(shù)小不是降低熱形變的唯一途徑,根據(jù)流場(chǎng)情況,進(jìn)行合理的導(dǎo)熱部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低設(shè)備重量和熱變形的良好選擇。且確定最終方案進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計(jì),樣機(jī)在高低溫試驗(yàn)中,可靠穩(wěn)定工作。
表1 材料屬性表
表2 高低溫?zé)岱治鲞吔缗c載荷表
表3 初始光機(jī)座數(shù)值分析結(jié)果
圖3 方案三 70℃環(huán)境下的熱分析溫度場(chǎng)和熱形變分布云圖
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TP211
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姚海艷(1983-),女,安徽鳳陽(yáng)人,碩士,工程師,主要研究光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì),及結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化。