基于ABAQUS/FE-SAFE的光學透鏡多彈片支撐結構壽命分析

邱炯捷 韓森

摘 ?要： 多彈片支撐結構是光學透鏡支撐領域新興的一種支撐方式，但由于彈片的壽命不明導致了多彈片結構沒有廣泛的應用。為了得到光學透鏡多彈片支撐結構的壽命，通過基于有限元軟件Abaqus中的Fe-safe功能對多彈片結構在受透鏡重力情況下進行壽命分析。本文旨在考慮到光學透鏡多彈片支撐結構壽命方面的分析，為日后學者提供參考和借鑒。

關鍵詞： Abaqus;有限元分析;支撐結構;光學透鏡;壽命分析

中圖分類號： TH703; TP391.77 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.018

本文著錄格式：邱炯捷，韓森. 基于ABAQUS/FE-SAFE的光學透鏡多彈片支撐結構壽命分析[J]. 軟件，2020，41（08）：59-61

【Abstract】： The support structure of multiple shrapnel is a new support method in the field of optical lens support. However， due to the unknown life of shrapnel， the structure of multiple shrapnel has not been widely used. In order to obtain the life of the supporting structure of the optical lens， the Fe-safe function in ABAQUS is used to analyze the life of the structure under the gravity of the lens. The purpose of this paper is to take into account the analysis of the life of the supporting structure of optical lens with multiple shrapnel， and to provide reference for future scholars.

【Key words】： ABAQUS; Finite element analysis; Supporting structure

0 ?引言

隨著航空航天科技的不斷的高速發(fā)展，對于望遠鏡中的大口徑光學鏡片的面形精度則提出了更高的要求，這也同時意味著目前用于光學鏡片面形檢測主要技術手段的激光干涉儀也需要向著大口徑、高精度、復雜面形的光學鏡片測量領域發(fā)展。

由于受西方對華技術封鎖影響，中國大口徑干涉儀技術還存在許多瓶頸。因此需要設計制造出更高精度的，適宜于大口徑光學元件面形精度檢測的大口徑干涉儀以滿足中國航天航空領域的發(fā)展。

干涉檢測是通過對標準參考面反射光和被測面反射光兩者形成的干涉條紋處理，得出被測面相對于標準參考面的面形，其測量精度主要取決于標準參考面的精度。由于大口徑光學鏡片存在自重會影響其面形精度，所以大口徑標準透鏡的支撐設計成為重要因素之一。

Yolder提出的多彈片支撐結構則是光學透鏡支撐領域新興的一種支撐方式[1]。而由于壽命問題不確定問題一直沒有得到廣泛的應用。本文利用Abaqus自帶的Fe-safe軟件結合理論來計算出多彈片結構在透鏡自重作用下的壽命，為以后的設計人員提供參考和借鑒。

1 ?有限元靜力學分析

ABAQUS 是一套功能非常強大的工程模擬的有限元軟件，它解決問題的范圍可以從相對簡單的線性分析到很多復雜的非線性問題。本文運用到了其靜力學分析功能以及其第三方的Fe-safe功能。

由于ABAQUS的三維建模功能受限，所以先運用三維CAD軟件Solidworks進行三維建模，如今三維建模運用到的領域和對口銜接的軟件非常廣，作為CAE軟件的ABAQUS就是其中之一[6-10]。之后，保存為sat文件格式之后導入Abaqus軟件進行靜力學分析。

1.1 ?透鏡及多彈片支撐結構三維模型設計

1.1.1 ?透鏡尺寸

本文模擬多彈片支撐結構所用的透鏡的為平凸透鏡，具體尺寸為直徑160 mm，透鏡凸面的曲率半徑為180 mm，透鏡的中心厚度為30 mm，以及透鏡的邊緣的厚度為11.25 mm，如圖1所示。

1.1.2 ?多彈片支撐結構設計

根據相關文獻的多彈片支撐結構設計參考[2]=[5]，本課題設計的結構選擇L形彈片設計，并選取彈片數量為30，厚度為1.5 mm，寬度為10 mm，長度位置處于通光口徑邊緣處的位置的多彈片支撐結構作為本次壽命分析的數據，如圖2所示。

1.2 ?材料屬性

材料選取方面，平凸透鏡采用最常用的熔石英，為了獲得更長的壽命，多彈片結構的材料選用50CrVA。由于彈片和透鏡需要定位，所以設計了一個徑向定位結構，如圖3所示;材料選用HT200。各個部分具體參數如表1所示。

1.3 ?邊界和載荷設置

進行有限元分析需要進行邊界和載荷的設定，徑向定位結構設置為完全固定，平凸透鏡設置為水平方向的位置固定，而最重要的多彈片結構則設置為外圈固定即可。載荷由于材料屬性設置中已經給出了材料密度，所以只要給出正確方向的重力加速度變可以完成透鏡在有限元分析中的重力模擬。

1.4 ?網格劃分

由于我們關心的是多彈片結構的壽命，所以對于劃分多彈片的網格，密度要求要比其它兩個結構要來的密，則在Abaqus縮小全局尺寸的數字為0.6，其它兩個結構均為5;有限元單元的結構選擇均為六面體單元進行分析， 能夠有效避免出錯。最終多彈片結構得到105077個單元，透鏡為18520個單元，徑向定位結構為8419個單元，如圖4所示。