某机载光电系统光学基座高低温环境适应性数值仿真研究

2015-09-24姚海艳

中国新技术新产品 2015年13期

关键词：光机高低温基座

姚海艳

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳 621000）

某机载光电系统光学基座高低温环境适应性数值仿真研究

姚海艳

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳 621000）

本文运用ABAQUS的结构热分析模块对某机载光电系统光机座的环境适应性进行了数值仿真研究，并依据数值分析结果优选出光学基座的设计方案。最终设计方案三不仅重量可满足设计指标小于20kg；且满足机载高低温范围内，光学基座热形变满足系统设计要求小于0.2mm，强度安全。

有限元模型；仿真结果与讨论；光电系统

光电技术是以激光、红外和微电子技术为基础，由光学、电子、精密机械和计算机技术相结合而形成的一个高新技术领域。光电经纬仪或其它地基光电跟踪设备，在结构系统、伺服控制系统和光学系统设计等方面，均形成了较为完整的理论。而机载光电系统不仅包括精密仪器的设计，还要考虑精密仪器的载机环境，尤其是高低温环境的适应性问题。光机系统中的光学基座设计，作为光电元器件的承载平台，不仅要考虑安装在其上的光电元器件的安全性，保证光机系统的高精度与可靠性，还要考虑自身在机载环境下的热变形和温度场分布是否满足设计要求，实现系统在机载高低温环境中，清晰稳定成像跟踪需求。

目前，机载设备的高低温环境适应性问题主要通过两种途径解决，一种是采取改善环境或减缓环境影响的措施，通过添加辅助设备，如环控系统来改善光机所处的机载环境；另一种是选用耐环境能力强的结构、材料、元器件或工艺等，即通过改善系统的结构设计，提高光机系统的耐环境能力。本文主要通过第二种途径的研究，来提升光机系统高低温环境适应性。计算机数值仿真，可在设计初期就获取丰富的分析数据，对设计进行优化，且周期短、成本低，便于实现。

为此，基于ABAQUS结构分析模块对某机载光电系统光学基座高低温环境适应性进行了数值仿真研究。通过光学基座的数值仿真分析，在综合考虑结构热形变、强度、重量、及加工工艺等因素下，经过设计改进，获取一个满足系统要求的光学基座设计方案。

1　结构有限元模型建立

建立有限元分析模型包括三维结构模型的简化、网格划分、材料属性设置。之后依据具体分析类型，进行约束与载荷施加，选择计算类型进行仿真，分析结果。

1.1模型简化

根据结构热传导、热对流，以及热辐射等方面的理论依据，结合具体的分析对象和分析内容简化有限元分析模型，确定被分析部件的简化方式与程度。本文研究光学基座的高低温环境适应性，所以文中光学基座为详细模型，其上光电元件均简化为等效质量块，系统有限元模型如图1所示。

1.2网格划分

该系统三维模型简化后，以iges格式导入ABAQUS中，采用四面体网格和六面体网格进行划分。三个光学基座方案的网格划分结果如图2（a）～（c）所示。

1.3材料属性

本文中设计方案的材料主要有铟36，硬铝合金7075，以及各简化部件的等效材料，见表1。由于各光学支路的镜座和光电器件的安装支架均采用硬铝合金材质，所以等效材料时，使用重量等效原理，与铝合金的材料性能相近。

1.4边界与载荷施加

机载高低温环境有限元仿真的工况边界与载荷见表2。系统通过6个安装点处的不锈钢螺栓与机体固定约束，所以在结构热分析中，将根据不同材料的热膨胀系数不同，将该约束处理为螺纹孔内壁的平面内约束。光学基座的下表面安装光电元器件，上表面有载机提供的5℃气源吹过进行强迫对流，所以光学基座上表面的结构设计会影响整个系统的散热效率。

图1　系统简化后有限元模型

图2

2　仿真结果与讨论

该光电系统正常工作时受载机高低温环境影响，可能会出现成像质量差，不能稳定跟踪与瞄准等，甚至结构的破坏。对于三种方案的结构热分析结果见表3。

该光电系统机载环境温度范围-55℃～70℃：系统设计之初光学系统对光机座热变形要求严苛，因此方案一选用了线膨胀系数较小的铟36钢材料。但该材料密度较大，经详细减重设计后，即使在结构局部加强筋仅2mm厚，且局部热应力已超过材料许用应力的情况下，其重量仍不满足要求，具体分析结果见表3。

方案一中的铟钢光机座虽热膨胀系数小，但其热传导性也差，温度场分布不均匀，温度梯度大，产生较大的热应力集中。且其重量超过了20kg的设计限制，固不满足设计要求。因此在方案一的基础上，综合材料力学和热力学特性，选用硬铝7075。该种材料是一种高强度的铝合金，尤其在T6状态下，可加工性好，且性价比高。方案二着重减小温度梯度和重量，使温度场更为均匀，重量满足设计要求。但是由于铝合金热膨胀系数较大，导致其最大热形变值达到0.42mm，超过0.2mm的设计要求，固亦不满足设计要求。

在方案二的基础上，针对热形变较大的问题，对光学基座的上表面加强筋进行了散热优化设计。并进一步进行减重设计和提高加工工艺性，减轻加工应力对光机座精度的影响，最终完成了方案三的设计。有限元结构70℃环境下的热分析温度场和热形变结果如图3所示。

综合以上三种方案，最终选择各方面满足设计要求的方案三，开展该光电系统的光学基座设计。该基座在满足最大热形变小于0.2mm的情况下，比原设计指标减重2.3kg，说明有限元分析手段是结构在严酷环境下设计和优化的有效途径。

结语

综上所述，本文使用有限元分析手段，对光电系统中的光机座进行有限元高低温环境下的有限元分析，根据分析结果，得出在有强迫对流的条件下，热膨胀系数小不是降低热形变的唯一途径，根据流场情况，进行合理的导热部件结构设计是降低设备重量和热变形的良好选择。且确定最终方案进行指导设计，样机在高低温试验中，可靠稳定工作。