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）

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。

1　結(jié)構(gòu)有限元模型建立

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

2　仿真結(jié)果與討論

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。

結(jié)語(yǔ)

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

A

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。