某機載光電系統(tǒng)光學(xué)基座高低溫環(huán)境適應(yīng)性數(shù)值仿真研究

摘 要：本文運用ABAQUS的結(jié)構(gòu)熱分析模塊對某機載光電系統(tǒng)光機座的環(huán)境適應(yīng)性進行了數(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)計方案。最終設(shè)計方案三不僅重量可滿足設(shè)計指標(biāo)小于20kg；且滿足機載高低溫范圍內(nèi)，光學(xué)基座熱形變滿足系統(tǒng)設(shè)計要求小于0.2mm，強度安全。

關(guān)鍵詞：有限元模型；仿真結(jié)果與討論；光電系統(tǒng)

中圖分類號：TP211 文獻標(biāo)識碼：A

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、精密機械和計算機技術(shù)相結(jié)合而形成的一個高新技術(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)計等方面，均形成了較為完整的理論。而機載光電系統(tǒng)不僅包括精密儀器的設(shè)計，還要考慮精密儀器的載機環(huán)境，尤其是高低溫環(huán)境的適應(yīng)性問題。光機系統(tǒng)中的光學(xué)基座設(shè)計，作為光電元器件的承載平臺，不僅要考慮安裝在其上的光電元器件的安全性，保證光機系統(tǒng)的高精度與可靠性，還要考慮自身在機載環(huán)境下的熱變形和溫度場分布是否滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)系統(tǒng)在機載高低溫環(huán)境中，清晰穩(wěn)定成像跟蹤需求。

目前，機載設(shè)備的高低溫環(huán)境適應(yīng)性問題主要通過兩種途徑解決，一種是采取改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施，通過添加輔助設(shè)備，如環(huán)控系統(tǒng)來改善光機所處的機載環(huán)境；另一種是選用耐環(huán)境能力強的結(jié)構(gòu)、材料、元器件或工藝等，即通過改善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高光機系統(tǒng)的耐環(huán)境能力。本文主要通過第二種途徑的研究，來提升光機系統(tǒng)高低溫環(huán)境適應(yīng)性。計算機數(shù)值仿真，可在設(shè)計初期就獲取豐富的分析數(shù)據(jù)，對設(shè)計進行優(yōu)化，且周期短、成本低，便于實現(xiàn)。

為此，基于ABAQUS結(jié)構(gòu)分析模塊對某機載光電系統(tǒng)光學(xué)基座高低溫環(huán)境適應(yīng)性進行了數(shù)值仿真研究。通過光學(xué)基座的數(shù)值仿真分析，在綜合考慮結(jié)構(gòu)熱形變、強度、重量、及加工工藝等因素下，經(jīng)過設(shè)計改進，獲取一個滿足系統(tǒng)要求的光學(xué)基座設(shè)計方案。

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，進行約束與載荷施加，選擇計算類型進行仿真，分析結(jié)果。

1.1 模型簡化

根據(jù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)、熱對流，以及熱輻射等方面的理論依據(jù)，結(jié)合具體的分析對象和分析內(nèi)容簡化有限元分析模型，確定被分析部件的簡化方式與程度。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)基座為詳細模型，其上光電元件均簡化為等效質(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)格進行劃分。三個光學(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)計方案的材料主要有銦36，硬鋁合金7075，以及各簡化部件的等效材料，見表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，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

機載高低溫環(huán)境有限元仿真的工況邊界與載荷見表2。系統(tǒng)通過6個安裝點處的不銹鋼螺栓與機體固定約束，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，上表面有載機提供的5℃氣源吹過進行強迫對流，所以光學(xué)基座上表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響整個系統(tǒng)的散熱效率。

2 仿真結(jié)果與討論

該光電系統(tǒng)正常工作時受載機高低溫環(huán)境影響，可能會出現(xiàn)成像質(zhì)量差，不能穩(wěn)定跟蹤與瞄準等，甚至結(jié)構(gòu)的破壞。對于三種方案的結(jié)構(gòu)熱分析結(jié)果見表3。

該光電系統(tǒng)機載環(huán)境溫度范圍-55℃～ 70℃：系統(tǒng)設(shè)計之初光學(xué)系統(tǒng)對光機座熱變形要求嚴苛，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)詳細減重設(shè)計后，即使在結(jié)構(gòu)局部加強筋僅2mm厚，且局部熱應(yīng)力已超過材料許用應(yīng)力的情況下，其重量仍不滿足要求，具體分析結(jié)果見表3。

方案一中的銦鋼光機座雖熱膨脹系數(shù)小，但其熱傳導(dǎo)性也差，溫度場分布不均勻，溫度梯度大，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力集中。且其重量超過了20kg的設(shè)計限制，固不滿足設(shè)計要求。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度的鋁合金，尤其在T6狀態(tài)下，可加工性好，且性價比高。方案二著重減小溫度梯度和重量，使溫度場更為均勻，重量滿足設(shè)計要求。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到0.42mm，超過0.2mm的設(shè)計要求，固亦不滿足設(shè)計要求。

在方案二的基礎(chǔ)上，針對熱形變較大的問題，對光學(xué)基座的上表面加強筋進行了散熱優(yōu)化設(shè)計。并進一步進行減重設(shè)計和提高加工工藝性，減輕加工應(yīng)力對光機座精度的影響，最終完成了方案三的設(shè)計。有限元結(jié)構(gòu)70℃環(huán)境下的熱分析溫度場和熱形變結(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)計要求的方案三，開展該光電系統(tǒng)的光學(xué)基座設(shè)計。該基座在滿足最大熱形變小于0.2mm的情況下，比原設(shè)計指標(biāo)減重2.3kg，說明有限元分析手段是結(jié)構(gòu)在嚴酷環(huán)境下設(shè)計和優(yōu)化的有效途徑。

結(jié)語

綜上所述，本文使用有限元分析手段，對光電系統(tǒng)中的光機座進行有限元高低溫環(huán)境下的有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果，得出在有強迫對流的條件下，熱膨脹系數(shù)小不是降低熱形變的唯一途徑，根據(jù)流場情況，進行合理的導(dǎo)熱部件結(jié)構(gòu)設(shè)計是降低設(shè)備重量和熱變形的良好選擇。且確定最終方案進行指導(dǎo)設(shè)計，樣機在高低溫試驗中，可靠穩(wěn)定工作。

參考文獻

[1]王海晏.光電技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]殷純永，方仲彥.光電精密儀器設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[3]毛英泰.誤差理論與精度分析[M].北京： 國防出版社，1982.

[4]吳晗平.光電系統(tǒng)環(huán)境與可靠性[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[5]李薇.某天線座磚臺結(jié)構(gòu)的計算機輔助設(shè)計[J].電子機械工程，1996（06）：33～40.

[6]Paul R.Yoder，Jr.光機系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

作者簡介：姚海艷（1983-），女，安徽鳳陽人，碩士，工程師，主要研究光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計，及結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化。