球面反射镜镜面热变形的数值分析

对热环境下球面反射镜的镜面热变形进行了数值模拟分析,应用光机热(TSO)集成分析方法,在对光机结构进行有限元分析的基础上,以Zernike多项式为接口工具拟合镜面变形,评估了环境载荷对光机系统光学性能的影响,最后还分析了硅橡胶层对光机系统结构应变能的吸收效用。     

干涉检测中环境温度引起的镜面变形分析

在达到1 nm量级的光学元件表面面形干涉检验时,被检元件由温度变化引起的面形偏差是不能忽略的.分析了干涉检验时存在的各种环境温度情况,对不同情况下被检元件内外温度分布进行了仿真,并将温度场作为静力学分析的载荷条件,进行了镜面温度变形分析.计算出了带支撑的直径为300 mm凸球面透镜在不同温度分布下的镜面变形量,并通过球...     

温度对某机载成像光谱仪谱线漂移的影响

为了研究温度对机载成像光谱仪谱线漂移的影响,分析了机载环境下仪器温度载荷的特点、作用机理和表现形式,研究了光谱仪的谱线漂移特性。根据机载环境下温度载荷特点,利用有限元法,结合最小二乘法和坐标转换法,计算了光学系统各镜面在温度载荷作用下面形变化和刚体位移。对变形后的光学系统进行了光线追迹,研究了其谱线漂移特性。通过热光学实验和飞行成像期间光谱定标实验验证了理论分析。热光学实验表明,在±10℃温度变化范围内,谱线在光谱方向仅发生整体平移,没有拉伸或压缩效应。在飞行期间的定标实验中,其平均谱线偏移量为0.248 nm,满足定标精度的1/3(定标精度为1 nm)要求。后续成像不需要再进行光谱定标或光谱修正。     

温度对星载成像光谱仪谱线漂移的影响

为了研究温度对成像光谱仪谱线漂移的影响,分析了谱线漂移与光谱成像系统各镜面刚体位移之间的关系,建立了温度对成像光谱仪谱线漂移影响的理论模型,通过软件仿真和热光学试验对理论模型进行了验证和修正。基于线性光学理论建立了镜面刚体位移对谱线漂移影响的数学模型,使用蒙特卡罗法对理论模型进行了数值仿真验证;采用有限元法求解了温度载荷下各镜面的刚体位移,在Matlab软件环境下利用Code V的API函数对变形后的光学系统进行了光线追迹,求解了镜面刚体位移导致的谱线位置变化,研究了成像光谱仪的谱线漂移特性,得到了温度载荷作用下的谱线漂移模型;通过热光学试验对理论模型进行了验证和修正。结果表明,在8℃～28℃范围内,谱线在光谱方向仅发生整体平移,没拉伸或压缩效应;基于线弹性理论和线性光学模型建立的理论模型与试验结果吻合较好,最大偏差不超过12%,修正后的谱线漂移模型相对误差小于5%,绝对精度优于0.2pixel。     

微振动激励作用下编组站镜架对光束指向的影响

 编组站是靶场光路传输系统的重要组成部分,编组站镜架的稳定性对光路的传输有着直接的影响。为了分析微振动对光束指向性的影响,采用有限元分析软件建立镜架的有限元模型,将数字式地震仪测得的镜架安装平台的速度功率谱密度函数作为载荷施加到分析模型上,计算得到了编组站光学元件（A,B,C,D）在基座微振动激励作用下的转角漂移分别为0.338,0.327,0.289,0.241 mrad,均小于稳定性指标0.460 mrad的要求;采用加速度传感器对光学元件A的转角漂移测试结果为0.340 mrad,与分析结果的误差为0.6%,说明所采用的计算分析方法是有效的,为精密镜架的设计分析提供了有效的方法。     

ICF装置靶场结构总体稳定性设计

 通过分析光学元件的动力学响应,计算靶场每条光路的结构漂移误差,进行了靶场结构总体稳定性评估。神光主机装置单光路靶场结构漂移误差计算结果表明：其靶场结构设计满足稳定性要求,该方法可以应用在ICF装置靶场结构总体稳定性设计中,但所得的漂移误差的裕度应大于一个给定的合理值。     

精密光束偏离装置棱镜组件的光机热分析

以精密光束偏离装置的棱镜组件为有限元模型，进行了光机热集成分析.对棱镜组件的结构强度进行了校核，分析了机械载荷作用下的镜面变形；通过模态分析，给出了装置的动态特性和镜面面形振动幅值的变化情况；最后对棱镜的热弹性变形进行了分析，对棱镜的光学性能进行了评价.结果表明：棱镜组件的最大变形在10 nm量级，最大应力为0.403 MPa，应力和应变相对于结构的准确度要求和材料的许用应力具有较大的裕度；前后棱镜组件的固有频率都大于550 Hz，装置具有良好的动态性能；通过对比棱镜在热-结构耦合分析和机械载荷下的分析结果，说明热效应对棱镜表面变形的影响远远大于机械载荷的影响.装置使用时必须采取严格的温控措施.     

拼焊式SiC反射镜热变形分析

为了考核拼焊式SiC反射镜在一定温度波动范围内的面形稳定性,利用有限元方法模拟了在温度水平试验条件5℃温差下反射镜的热变形情况。利用曲面方程拟合方法处理镜面变形数据,计算出变形后的镜面面型误差RMS值为1.841nm,满足航天用反射镜对面形指标的要求,考核了该反射镜在一定环境温度范围内的面形稳定性。将模拟结果与相同条件下的环境试验结果相比较,二者误差为3%,具有较好的一致性。验证了该有限元模型以及性能参数的合理性,可为今后更大口径的拼焊式SiC反射镜的研制提供数值模拟基础和材料参数依据。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

服役载荷与结构参数对塔式太阳能定日镜光学精度的影响

以典型的20 m2小型定日镜为对象,采用光-机集成建模方法,研究了自重和风载荷联合作用下定日镜的服役光学精度特性,综合考虑了定日镜工作高度角、风压大小和关键结构参数的影响。结果表明,沿镜面横向的斜率误差分量Dx要明显大于沿其竖向的Dy,螺栓数量N增加对Dx影响不显著,但能显著减小Dy,反射镜面自身刚度弱是其服役光学精度下降的主要原因;机架中角钢型材的边长a在30～50 mm之间对光学精度影响较小,但厚度t对光学精度的影响较为显著。定日镜结构变形与镜面斜率误差均随着风压载荷的增加而线性增加,且不同高度角β下总镜面斜率误差变化曲线斜率基本一致;仅在自重作用下,高度角0°～90°内总斜率误差能控制在1.45 mrad以内;镜面变形与其斜率误差分布规律完全不同,镜面斜率误差与镜面变形之间并非呈线性正比关系,采用光学精度进行评价或指导定日镜结构优化设计是最佳途径。     

Numerical simulation of laser-generated ultrasound in non-metallic material by the finite element method

The use of a pulsed laser for the generation of the elastic waves in non-metallic materials in the thermoelastic regime is investigated by using finite element method (FEM), taking into account not only thermal diffusion and the finite spatial and temporal shape of the laser pulse, but also optical penetration and the temperature dependence of material properties. The optimum finite element model is established based on analysis of two important parameters, meshing size and time step, and the stability of solution. Temperature distributions and temperature gradient fields in non-metallic material for different time steps are obtained, this temperature field is equivalent to a bulk force source to generate ultrasonic wave. The laser-generated ultrasound waveforms at the epicenter and surface acoustic waveforms (SAWs) are obtained and the influence of optical penetration into the material on the temperature field and the ultrasound waveforms are analyzed. The numerical results indicate that the heat penetration into non-metallic material is caused mainly by the optical penetration, and the ultrasound waveforms, especially the shape of the precursor, are strongly dependent on the optical penetration depth into non-metallic material.     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

Finite element analysis of ionic liquid gel soft actuator

A new type of soft actuator material-ionic liquid gel(ILG),which consists of HEMA,BMIMBF4,and TiO_2,can be transformed into gel state under the irradiation of ultraviolet(UV)light.In this paper,Mooney–Rivlin hyperelastic model of finite element method is proposed for the first time to study the properties of the ILG.It has been proved that the content of TiO_2 has a great influence on the properties of the gel,and Young’s modulus of the gel increases with the increase of its content,despite of reduced tensile deformation.The results in this work show that when the TiO_2 content is 1.0 wt%,a large tensile deformation and a strong Young’s modulus can be obtained to be 325%and 7.8 k Pa,respectively.The material parameters of ILG with TiO_2content values of 0.2 wt%,0.5 wt%,1.0 wt%,and 1.5 wt%are obtained,respectively,through uniaxial tensile tests,including C_(10),C_(01),C_(20),C_(11),C_(02),C_(30),C_(21),C_(12),and C_(03)elements.In this paper,the large-scaled general finite element software ANSYS is used to simulate and analyze the ILG,which is based on SOLID186 element and nonlinear hyperelastic Mooney–Rivlin model.The finite element simulation analysis based stress-strain curves are almost consistent with the experimental stress–strain curves,and hence the finite element analysis of ILG is feasible and credible.This work presents a new direction for studying the performance of soft actuator for the ILG,and also contributes to the design of soft robot actuator.     

快速多极边界元法用于扩散光学断层成像研究

在求解扩散光学断层成像中的正向问题时, 目前普遍采用有限元法, 但是随着实际模型规模的增大, 有限元法的计算量问题日益显著, 而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注. 本文以均匀的高散射介质为模型, 研究了将快速多极边界元法用于扩散光学断层成像的正向问题. 快速多极边界元法利用核函数的多极展开, 将常规边界元法中系数矩阵和迭代矢量的乘积项等价为相应四叉树结构的一次递归, 再结合广义最小残量法进行迭代求解. 将计算结果和蒙特卡罗法的模拟结果进行了比较, 表明利用快速多极边界元法的模拟结果和蒙特卡罗法的结果有很好的一致性. 研究结果验证了快速多极边界元法可以用于扩散光学断层成像, 为其大规模和实时成像带来可观的前景. 关键词： 扩散光学断层成像 边界元法 快速多极边界元法     

基于ANSYS的红外光学系统的有限元分析

红外光学系统作为空-空导弹的重要有机组成部分,要经历复杂的动力学环境。采用有限元分析方法对红外光学系统结构在工作状态下的变形、应力及固有频率进行了全面分析。验证了光学系统的结构是否满足光学像质要求和刚度要求,确定了面形变化的显著区域,并专门对其中的关键结构进行了详细分析,进而提出结构优化的途径。该方法对光学系统结构设计和分析具有现实意义,有助于进一步分析研究光学系统结构动力学。     

大口径光学元件重力变形补偿的设计分析

根据弹性板壳理论,建立了大口径光学元件的几种理论模型.提出了一种补偿大口径光学元件重力变形的方法,该方法通过在透镜镜框边缘施加作用力,使透镜产生与重力变形反向的挠性变形,抵消重力变形的影响.建立了带镜框的大口径透镜的分析模型,证明了通过优化施加力的大小和支撑点位置使透镜产生挠性变形的方法能有效消除重力变形的影响.     

Spatial and temporal thermal analysis of acousto-optic deflectors using finite element analysis model

Thermal effects greatly influence the optical properties of the acousto-optic deflectors (AODs). Thermal analysis plays an important role in modern AOD design. However, the lack of an effective method of analysis limits the prediction in the thermal performance. In this paper, we propose a finite element analysis model to analyze the thermal effects of a TeO₂-based AOD. Both transducer heating and acoustic absorption are considered as thermal sources. The anisotropy of sound propagation is taken into account for determining the acoustic absorption. Based on this model, a transient thermal analysis is employed using ANSYS software. The spatial temperature distributions in the crystal and the temperature changes over time are acquired. The simulation results are validated by experimental results. The effect of heat source and heat convection on temperature distribution is discussed. This numerical model and analytical method of thermal analysis would be helpful in the thermal design and practical applications of AODs.     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

大口径光学元件重力变形补偿的设计分析

根据弹性板壳理论,建立了大口径光学元件的几种理论模型。提出了一种补偿大口径光学元件重力变形的方法,该方法通过在透镜镜框边缘施加作用力,使透镜产生与重力变形反向的挠性变形,抵消重力变形的影响。建立了带镜框的大口径透镜的分析模型,证明了通过优化施加力的大小和支撑点位置使透镜产生挠性变形的方法能有效消除重力变形的影响。     

负离子元素杂质破坏模型

探讨了HfO₂薄膜中负离子元素杂质破坏模型，并得出薄膜中的杂质主要来源于 镀膜材料. 用电子束蒸发方法沉积两种不同Cl元素含量的HfO₂薄膜，测定薄膜 弱吸收和损伤阈值来验证负离子元素破坏模型. 结果表明，随着Cl元素含量的增加薄膜的弱 吸收增加损伤阈值减小. 这主要是因为负离子元素在蒸发过程中形成挥发性的气源中心而产 生缺陷，缺陷在激光辐照过程中又形成吸收中心. 因此负离子元素的存在将加速薄膜的破坏 . 关键词： 负离子元素杂质 缺陷 吸收