阵列式反射镜架特性仿真分析

赵 光， 王 岩， 潘春祥， 刘铁军

（空军航空大学 飞行器与动力系，吉林 长春 130022）

1 反射镜架结构建模

在“神光”工程中，靶场系统是非常重要的一个环节，激光束全部在靶场系统中传输，最后才照射在靶球上。而打靶所用的激光束是通过靶场系统中的反射镜架来反射和折射的，可以说反射镜架的性能直接决定了打靶的精度［1］。在未来的神光系统中，由于激光束较多，如果应用单个镜架进行反射会导致靶场系统体积和重量过大，所以急需对反射镜架进行集成［2］。文中基于三点支撑式原理，应用Pro／E软件设计了一种可以同时引导四束激光的阵列式反射镜架［3］，其结构如图1所示。

图1 反射镜架机械本体结构模型

反射镜架由3部分组成，即支撑组件、框体组件和驱动组件。其中，支撑组件的作用是对镜架的整体进行定位以及悬挂镜架。而框体组件的作用是负责对反射镜片进行定位，并由反射镜片对激光束进行引导和传输［4］。驱动组件的作用是驱动框体组件进行微小偏转或产生微小位移，以达到镜片微小姿态调整的目的［5］。

2 反射镜架的静态特性分析

静力分析计算的是在静载荷作用下的结构效应。通过静力分析，可以求解结构因外力而产生的应变、位移和应力［6］。为了控制打靶精度，对镜架的要求是其刚度要好，负重后结构整体变形要小，因此必须要进行结构静力分析。为方便分析，对模型组件进行简化，去掉对结构静力分析影响不大的倒角和小孔，并把所有的螺栓连接看成是刚性连接。接下来进行装配，在装配时应确保所有部件均完全约束［7］。

在电动反射镜架中，支撑组件和前后定位框的材料为不锈钢，镜框材料为铝合金，镜片材料为KDP晶体。在结构静力分析中需要对每种材料分别输入其弹性模量、泊松比和密度，3种材料的机械性能见表1。

表1 镜架材料的机械性能

在划分网格的时候，考虑到电动反射镜架包含多个部件，有的构件形状并不规则，因此并不适合映射划分，故选择了自由网格划分。针对构件外形不一的情况，并未统一设定划分网格的尺寸，而是对不同构件进行了单独设定，网格划分后共计包含314 433个单元。

在结构静力分析中，只需要考虑镜架静止放置时所承受的重力，不用考虑构件之间的内力［8］。施加约束时对于底板的最下方平面施加all dof约束即可，然后进行分析。

分析之后，得到了镜架的变形云图以及应力云图，如图2～图7所示。

图2 模型网格划分

图3 x方向变形云图

图4 y方向变形云图

图5 z方向变形云图

图6 总变形云图

为方便分析，各个方向最大变形数值和最大应力数值见表2。

表2 镜架最大变形和最大应力数值

从表2中可以看出，最大变形发生在y方向，即与镜片垂直的方向。具体部位在最上方镜架的顶部，其数值为30.244m。其形成的原因是整个结构越接近底部刚度越高，而越接近顶部刚度越低，在框体组件的重力压迫下，竖直的两个框体组件连同其支架绕着支架根部轻微旋转所造成。此轻微旋转的回转半径约为1 066mm，由公式S＝φR可近似求得由于此变形导致支架所旋转的角度为：

显然，这个微小的角度变化会造成镜片的位置变化，从而影响打靶精度。但是从光学角度来讲，如果镜片的位置变化后，其所在平面仍然与原平面平行，则光线反射效果不变。而镜架的调整范围为±7.5mrad，显然，这个轻微转角完全可以用驱动组件的进给来弥补，且基本不影响驱动组件的最大调整量。

最大应力数值为8.167MPa，发生在驱动组件的球头与框体的接触处附近以及悬挂球头的拐角处等，其部位较分散，但是其数值较低，远低于材料的许用应力。

由此可见，结构静力分析所得到的变形和应力这两个结果都是满足要求的。

3 反射镜架的动态特性分析

在结构动力分析中，一个重要的问题就是对结构进行固有频率分析。一般来说，结构的固有频率只与自身的刚度和质量有关。一个很常见的现象就是结构在受到与其自振频率相近的载荷作用时会产生共振。由于共振现象对于结构的破坏性较大，所以结构的振动特性分析是动力学分析中一个非常重要的问题［9］。

在本次分析中，通过模态分析来确定结构的振动特性，比如固有频率和各阶振型。

模态分析的前期工作如建模、选择单元类型、赋予参数、布尔运算和划分网格等与静力分析一致，故可直接使用静力分析时的保存文件。在模态分析中，不需要施加载荷，只需要在底板的最下平面施加全位移约束即可，然后选择分析类型为Modal。本次分析中，提取前六阶模态，得到的前六阶固有频率见表3。

表3 反射镜架前六阶固有频率表

从表3中可以看出，镜架结构的一阶固有频率最小，为40.076Hz。而靶场系统基础刚架的基频约为26Hz，二者相差了14.076Hz。依据振动理论，不会引起共振现象，显然文中设计的电动反射镜架的固有频率达到了设计要求。

4 结 语

依据“神光”工程的指标要求，建立了四路集成反射镜架的结构模型，分析了模型在静载荷下的应力分布，同时也分析了结构的前十阶固有频率，并且与项目的指标要求进行了对比，得到了符合要求的结论，为未来的八路集成镜架和十六路集成镜架的预研工作打下了一定的基础。同时，也证明了无轴式镜架具有实际应用可行性。

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