基于ABAQUS/FE-SAFE的光學(xué)透鏡多彈片支撐結(jié)構(gòu)壽命分析

邱炯捷 韓森

摘 ?要： 多彈片支撐結(jié)構(gòu)是光學(xué)透鏡支撐領(lǐng)域新興的一種支撐方式，但由于彈片的壽命不明導(dǎo)致了多彈片結(jié)構(gòu)沒(méi)有廣泛的應(yīng)用。為了得到光學(xué)透鏡多彈片支撐結(jié)構(gòu)的壽命，通過(guò)基于有限元軟件Abaqus中的Fe-safe功能對(duì)多彈片結(jié)構(gòu)在受透鏡重力情況下進(jìn)行壽命分析。本文旨在考慮到光學(xué)透鏡多彈片支撐結(jié)構(gòu)壽命方面的分析，為日后學(xué)者提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞： Abaqus;有限元分析;支撐結(jié)構(gòu);光學(xué)透鏡;壽命分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TH703; TP391.77 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)透鏡多彈片支撐結(jié)構(gòu)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(duì)于望遠(yuǎn)鏡中的大口徑光學(xué)鏡片的面形精度則提出了更高的要求，這也同時(shí)意味著目前用于光學(xué)鏡片面形檢測(cè)主要技術(shù)手段的激光干涉儀也需要向著大口徑、高精度、復(fù)雜面形的光學(xué)鏡片測(cè)量領(lǐng)域發(fā)展。

由于受西方對(duì)華技術(shù)封鎖影響，中國(guó)大口徑干涉儀技術(shù)還存在許多瓶頸。因此需要設(shè)計(jì)制造出更高精度的，適宜于大口徑光學(xué)元件面形精度檢測(cè)的大口徑干涉儀以滿(mǎn)足中國(guó)航天航空領(lǐng)域的發(fā)展。

干涉檢測(cè)是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參考面反射光和被測(cè)面反射光兩者形成的干涉條紋處理，得出被測(cè)面相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)參考面的面形，其測(cè)量精度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)參考面的精度。由于大口徑光學(xué)鏡片存在自重會(huì)影響其面形精度，所以大口徑標(biāo)準(zhǔn)透鏡的支撐設(shè)計(jì)成為重要因素之一。

Yolder提出的多彈片支撐結(jié)構(gòu)則是光學(xué)透鏡支撐領(lǐng)域新興的一種支撐方式[1]。而由于壽命問(wèn)題不確定問(wèn)題一直沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。本文利用Abaqus自帶的Fe-safe軟件結(jié)合理論來(lái)計(jì)算出多彈片結(jié)構(gòu)在透鏡自重作用下的壽命，為以后的設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒。

1 ?有限元靜力學(xué)分析

ABAQUS 是一套功能非常強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，它解決問(wèn)題的范圍可以從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到很多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。本文運(yùn)用到了其靜力學(xué)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(yùn)用三維CAD軟件Solidworks進(jìn)行三維建模，如今三維建模運(yùn)用到的領(lǐng)域和對(duì)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(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1.1 ?透鏡及多彈片支撐結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì)

1.1.1 ?透鏡尺寸

本文模擬多彈片支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的多彈片支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考[2]=[5]，本課題設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)選擇L形彈片設(shè)計(jì)，并選取彈片數(shù)量為30，厚度為1.5 mm，寬度為10 mm，長(zhǎng)度位置處于通光口徑邊緣處的位置的多彈片支撐結(jié)構(gòu)作為本次壽命分析的數(shù)據(jù)，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(zhǎng)的壽命，多彈片結(jié)構(gòu)的材料選用50CrVA。由于彈片和透鏡需要定位，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)徑向定位結(jié)構(gòu)，如圖3所示;材料選用HT200。各個(gè)部分具體參數(shù)如表1所示。

1.3 ?邊界和載荷設(shè)置

進(jìn)行有限元分析需要進(jìn)行邊界和載荷的設(shè)定，徑向定位結(jié)構(gòu)設(shè)置為完全固定，平凸透鏡設(shè)置為水平方向的位置固定，而最重要的多彈片結(jié)構(gòu)則設(shè)置為外圈固定即可。載荷由于材料屬性設(shè)置中已經(jīng)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(wǎng)格劃分

由于我們關(guān)心的是多彈片結(jié)構(gòu)的壽命，所以對(duì)于劃分多彈片的網(wǎng)格，密度要求要比其它兩個(gè)結(jié)構(gòu)要來(lái)的密，則在Abaqus縮小全局尺寸的數(shù)字為0.6，其它兩個(gè)結(jié)構(gòu)均為5;有限元單元的結(jié)構(gòu)選擇均為六面體單元進(jìn)行分析， 能夠有效避免出錯(cuò)。最終多彈片結(jié)構(gòu)得到105077個(gè)單元，透鏡為18520個(gè)單元，徑向定位結(jié)構(gòu)為8419個(gè)單元，如圖4所示。