大型固体激光器光束定位稳定性分析

 根据ICF驱动器系统工程的要求,建立光学元件运动量与靶点光束定位之间关系,对稳定性进行初估。运用B类评定方法、光线追迹方法和有限元数值模拟方法进行检验和校正,使其更具有可行性。并从结构随机振动理论出发,将结构用单自由度线性系统的平稳随机振动模拟,实现稳定性值激励源的重分。     

振动疲劳寿命分析在主镜支撑结构设计中的应用

通过随机振动峰值应力响应考核空间相机在随机振动环境下主镜支撑结构的可靠性存在一定的局限性。本文针对主镜支撑结构在随机振动试验中出现断裂的现象,采用振动疲劳寿命分析对结构的可靠性进行考察,提出了应用数值仿真技术预测结构随机振动疲劳寿命的方法。根据有限元和随机振动疲劳相关理论,采用振动疲劳分析软件对某空间相机支撑环柔节进行了随机振动疲劳分析,计算了疲劳寿命的大小及分布。比较仿真和随机振动试验结果表明,采用振动疲劳寿命评价随机振动环境下结构的可靠性是合理的,利用数值仿真技术预测结构的随机振动疲劳寿命是可行的。     

空间相机反射镜组件的随机振动疲劳分析

针对空间相机反射镜组件在随机振动试验中出现的疲劳破坏问题,为了保证结构的安全,应用有限元方法预测结构随机振动疲劳寿命。首先建立了反射镜组件有限元模型,然后进行了模态和频率响应分析,最后利用MSC.Fatigue软件结合材料S-N曲线和载荷谱进行了随机振动疲劳分析。通过分析得到反射镜组件的疲劳寿命最小为80235s,其位置在柔性支撑结构的十字筋处。结果表明,反射镜组件的疲劳寿命远大于试验的所需时间,满足设计要求,可以对材料的选取和结构的优化设计做出快速响应,为结构随机振动疲劳寿命的研究提供参考和依据。     

强脉动压力下飞行器随机振动分析算法与并行实现

以飞行器再入大气层过程中承受多点强相关脉动压力下的随机振动分析为研究背景,从自由体模态分析入手,考虑脉动压力之间的强相关性,建立自由体动力学方程并推导刚-弹模态耦合作用下的随机振动理论,完成算法设计并在自主并行软件平台PANDA中进行代码实现,通过典型飞行器算例开展正确性验证和应用研究。研究表明：飞行器再入过程的刚体运动对结构在低频段的响应影响显著,甚至起到主导作用,越靠近零频附近,这种影响越大;在中高频段,弹性响应逐渐占据主导地位。基于自主研发形成的随机振动分析模块可以较好地模拟飞行器再入过程脉动压力诱导的随机振动响应,具备超大规模并行计算能力。     

大长宽比长条形SiC反射镜的优化设计与试验

针对某离轴三反光学系统中的大长宽比长条形SiC反射镜镜面边缘随机振动加速度响应均方根值过大的特点,提出一种采用"基结构法"的反射镜结构拓扑优化方法,以随机振动加速度响应均方根值最小化为优化目标.首先对某初始反射镜结构进行有限元分析,发现反射镜镜面边缘点Z向加速度响应均方根值过大.其次,应用连续体结构拓扑优化思想,以反射镜镜面边缘点的随机振动加速度响应均方根值作为优化目标,以镜面峰谷值、镜体一阶约束频率作为约束条件,以反射镜筋板式基结构作为优化空间,对反射镜镜体结构进行拓扑优化设计,得到了一种各项力学性能指标及面形精度均满足指标要求的反射镜轻量化结构.最后,通过有限元分析与振动试验,验证了本文设计的反射镜结构拥有良好的力学性能,其中反射镜镜体质量相比优化前降低了13%,镜面边缘点的Z向随机振动加速度响应均方根值降低了58%,证明了本文优化方法的有效性.     

地脉动作用下主机装置靶室结构稳定性分析与评估

在大型固体激光器结构稳定性设计中,数值模拟结果是结构稳定性设计的主要依据,故数值模拟的可信度至关重要。为了评估装置稳定性计算结果的可信度,基于现代模型验证与确认技术中关于不确定性源的量化及传播分析方法、模型形式误差与预测推断的叠加方法研究,对靶球结构的最大位移响应进行了预测推断。稳定性分析中为了快速进行不确定性参数的传播和灵敏度分析,使用二次响应面模型作为代理模型,灵敏度分析结果表明模态阻尼比对靶球结构的稳定性影响更大。对关心量的稳定性预测结果表明,靶球结构最大位移响应的上界与稳定性设计指标相比,安全裕度仍大于7,说明主机装置的稳定性设计具有足够的可信度。     

高稳定性星载多普勒差分干涉仪支撑结构设计

为了保证星载测风多普勒差分干涉仪的力学稳定性和热稳定性,设计了一种低热传导微应力装夹支撑结构,采用胶合与弹性压紧相结合的方法对干涉仪进行安装.首先,结合多普勒差分干涉仪的结构特点和稳定性要求,采用四点环形凸台的粘接形式对底座粘接面进行了优化设计,并与已有的网格化多点凸台粘接面形式进行对比.然后,针对随机振动条件下干涉仪与底座粘接面响应应力过大的问题,设计了施加预紧力的压盖结构来提高粘接可靠性.最后,对干涉仪组件进行了有限元仿真和环境振动试验,分析和验证了干涉仪组件的低热传导性和力学可靠性.结果表明,所设计的四点环形凸台粘接形式相较于已有粘接形式在相同条件下由底座导入光学组件的热量减少了63.54%,随机振动时粘接面最大响应应力为2MPa,干涉仪组件的模态频率均在1 900Hz以上;有限元仿真与试验结果的相对误差均在8.6%以内.基于四点环形凸台面粘接并施加预紧力的干涉仪组件具有低热传导、高力学可靠性的特点,结构设计合理,性能可靠.     

CRAFT背场线圈磁体及杜瓦的力学特性分析

背场线圈和杜瓦对CRAFT系统的运行具有重要影响。为了确保系统运行的稳定性,本文基于无力矩理论、线性振动理论和随机振动理论并采用有限元法,对杜瓦和背场线圈的静力学特性、模态响应和随机振动特性进行了研究,研究结果表明磁体系统在地震载荷的冲击下将会产生较大的变形。为此,以磁体及杜瓦的变形为优化目标,采用优化设计方法对磁体及杜瓦在不同载荷下的响应进行研究,从而获得最优设计方案。该研究工作将为后续超导磁体测试平台的加工制造以及抗震优化设计提供理论指导。     

机载星体跟踪器的随机振动与疲劳分析

星体跟踪器是机载天文导航设备的重要组成部分,随机振动是其结构失效的重要因素。采用有限元分析软件Ansys workbench对某机载星体跟踪器进行了随机振动分析,获得了1σ响应值与随机响应谱。根据分析结果进行了随机疲劳计算,得到了疲劳寿命使用系数。该分析方法同样适用于其他光电设备的随机振动与疲劳分析,对光电设备的结构设计有一定的指导作用。     

模块化Marx发生器机芯的力学环境适应性分析及优化设计

为研究Marx发生器机芯在公路运输条件下的力学环境适应性,基于随机振动理论和有限元分析方法对Marx机芯进行了仿真分析和随机振动试验。首先,建立了八级模块化Marx机芯的有限元动力学仿真模型,模拟确定了机芯的应力集中点;然后,通过振动台运输振动摸底试验修正了有限元模型,对机芯结构进行了优化设计,使Marx机芯整体一阶频率由15.4 Hz提高到19.7 Hz,降低了整机垂向的动力学响应,提高了机芯的力学环境适应性。试验结果表明,Marx发生器结构设计需要重点考虑其在垂直方向的可靠性;振动过程中,机芯整体连接稳定,振动应力集中于机芯与U型支撑杆连接处、支撑杆与支撑板连接的角片处,以及开关连接件处,是结构设计的薄弱环节。     

北京自由电子激光器电子束截面监测系统

报告了北京自由电子激光器(BFEL)从30MeV直线加速器出口到摇摆磁铁出口束流输运段的束流截面监测系统。该系统由四台遥控气动可伸缩荧光屏探头、光学放大系统、闭路电视摄象系统及视频图象处理系统组成。利用该系统进行模拟实验,其系统空间分辨率约100μm,达到BFEL总体要求。利用该系统可以测量摇摆磁铁入口处及内部电子束和准直激光的截面、位置和畸变,进行束流准直、聚焦和发射度测量。     

光阴极微波电子枪驱动激光整形与传输系统

为满足合肥先进光源对高品质注入束流的要求,合肥先进光源预研项目研制了一套光阴极微波电子枪系统作为注入器电子源。为降低空间电荷效应引起的束流发射度增长,对驱动激光整形及传输系统进行了理论和实验研究。通过双折射晶体的脉冲时间整形以及采用光阑高斯截断的空间整形,得到了近似均匀分布的激光脉冲。像传递激光传输光路,实现了光阴极表面激光位置的高稳定性。实验结果显示,光阴极表面的激光位置抖动小于4 μm,激光性能满足实验要求。     

激光羽烟透过率测试技术研究

为了准确评估固体推进剂的性能,研制了红外激光羽烟透过率测量系统。系统采用透射的方法:在发射端对激光信号采用内调制,由光学系统送入接收端,并将接收到的信号进行光电转换、信号处理和A/D转换后送入计算进行数据的处理和显示。现场测试结果表明该系统的精度、响应速度和稳定度达到设计要求。     

“神光-Ⅱ”第九路终端光学系统稳定性分析

 在“神光-Ⅱ”装置上进行先进高能多功能激光束系统(简称第九路)研制工程中，由于在原ICF靶室上又增加了输入“汤姆逊探针光”和“X光背光照明探针光”的锥形真空套筒及其终端光学元件，导致原有靶室结构的变化，可能会引入新的不稳定因素。通过有限元分析方法，建立有限元分析模型，进行优化设计。通过位移传感器测量结果可知，第九路终端光学元件径向窜动所引起的打靶误差最大值为2.110 μm，小于“神光-Ⅱ”靶场终端光学系统的最大允许误差值7.785 μm。     

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。     

Propagation of anomalous hollow beam through a misaligned first-order optical system

In this paper, we consider the propagation of an anomalous hollow beam passing through the first-order ABCD optical system. Based on the generalized diffraction integrals, a general propagating formula of anomalous hollow beam is derived. Based on the derived formula, the propagation properties of anomalous hollow beam through the misaligned optical system are numerically illustrated. From the numerical results we can get that when an anomalous hollow beam propagates through a misaligned optical system, the shape of the output beam changes as the propagation distance increases, and the center of the output beam is deviated from the optical axis. The position of the output beam is effected by the misaligned parameters, and can be controlled by adjusting them. This method provides a convenient tool for studying the propagation and transformation of an anomalous hollow beam through the misaligned optical system.     

Multi-beam method to increase the stability of bridge deflection measurement

The main limitation to the accuracy of the detection of a bridge deflection using laser-based optical solutions is atmospheric turbulence because of the laser beam propagation in ground proximity. The multi-beam method is presented to increase the stability of bridge deflection measurement. It is based on the use of a four-beam optical system and a subpixel resolution algorithm for the measurement of the deflection of a laser beam that propagates through the system. To obtain accurate results, different algorithms for measuring the position of the deflected beam in different optical systems are tested and compared. Based on this comparison, the four-beam method based on the macropixels iteration centroid and four-beam optical system is selected, and an accuracy of 0.16 pixels is obtained by the determination of the beam position in our setup. The proposed method is adopted to detect the bridge deflection and an accuracy of 0.01 mm is gained when the scintillation index C_n² is 3×10⁻⁴ m^−2/3.     

物光参考光同光轴的体全息存储光学系统设计

将两块漫射板分别置于输入面的两侧,使物光和参考光同光轴,可以使体全息存储傅里叶变换光学系统更为紧凑。然而,在这种全息存储光学系统中,物光和参考光的总数值孔径较物光数值孔径大很多。分析这种体全息存储光学系统物光和参考光光路的设计要求和光学参量的确定;采用多重结构方法对物光正向光路、逆向光路和参考光光路同时优化设计,实现对物光光路二对物像共扼位置控制像差,并满足参考光光路的要求;给出前后组焦距分别为33 mm和30 mm的物光和参考光同光轴,前工作距为30 mm,物光和参考光总数值孔径为0.53的全息存储光学系统的设计结果。系统的波像差小于0.071λ,达到衍射极限。     

激光引信中半导体激光器的准直及其测试

在理论上分析了单级单透镜光学系统对激光高斯光束发散角的影响。用单个平凸透镜对激光引信中的半导体激光器进行了准直，达到了激光引信光束准直的要求。通过CCD成像方法对准直后的光束发散角进行了测量，利用二阶矩算法计算出光束发散角。实验测得2个方向的发散角分别为θx=7.03°和θy=0.69°，验证了准直系统达到激光引信要求的θx＜10°和θy＜1°技术指标。