趙 光， 王 巖， 潘春祥， 劉鐵軍

（空軍航空大學(xué) 飛行器與動(dòng)力系，吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 反射鏡架結(jié)構(gòu)建模

在“神光”工程中，靶場(chǎng)系統(tǒng)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，激光束全部在靶場(chǎng)系統(tǒng)中傳輸，最后才照射在靶球上。而打靶所用的激光束是通過靶場(chǎng)系統(tǒng)中的反射鏡架來反射和折射的，可以說反射鏡架的性能直接決定了打靶的精度［1］。在未來的神光系統(tǒng)中，由于激光束較多，如果應(yīng)用單個(gè)鏡架進(jìn)行反射會(huì)導(dǎo)致靶場(chǎng)系統(tǒng)體積和重量過大，所以急需對(duì)反射鏡架進(jìn)行集成［2］。文中基于三點(diǎn)支撐式原理，應(yīng)用Pro／E軟件設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)引導(dǎo)四束激光的陣列式反射鏡架［3］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 反射鏡架機(jī)械本體結(jié)構(gòu)模型

反射鏡架由3部分組成，即支撐組件、框體組件和驅(qū)動(dòng)組件。其中，支撐組件的作用是對(duì)鏡架的整體進(jìn)行定位以及懸掛鏡架。而框體組件的作用是負(fù)責(zé)對(duì)反射鏡片進(jìn)行定位，并由反射鏡片對(duì)激光束進(jìn)行引導(dǎo)和傳輸［4］。驅(qū)動(dòng)組件的作用是驅(qū)動(dòng)框體組件進(jìn)行微小偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生微小位移，以達(dá)到鏡片微小姿態(tài)調(diào)整的目的［5］。

2 反射鏡架的靜態(tài)特性分析

靜力分析計(jì)算的是在靜載荷作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。通過靜力分析，可以求解結(jié)構(gòu)因外力而產(chǎn)生的應(yīng)變、位移和應(yīng)力［6］。為了控制打靶精度，對(duì)鏡架的要求是其剛度要好，負(fù)重后結(jié)構(gòu)整體變形要小，因此必須要進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。為方便分析，對(duì)模型組件進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉對(duì)結(jié)構(gòu)靜力分析影響不大的倒角和小孔，并把所有的螺栓連接看成是剛性連接。接下來進(jìn)行裝配，在裝配時(shí)應(yīng)確保所有部件均完全約束［7］。

在電動(dòng)反射鏡架中，支撐組件和前后定位框的材料為不銹鋼，鏡框材料為鋁合金，鏡片材料為KDP晶體。在結(jié)構(gòu)靜力分析中需要對(duì)每種材料分別輸入其彈性模量、泊松比和密度，3種材料的機(jī)械性能見表1。

表1 鏡架材料的機(jī)械性能

在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，考慮到電動(dòng)反射鏡架包含多個(gè)部件，有的構(gòu)件形狀并不規(guī)則，因此并不適合映射劃分，故選擇了自由網(wǎng)格劃分。針對(duì)構(gòu)件外形不一的情況，并未統(tǒng)一設(shè)定劃分網(wǎng)格的尺寸，而是對(duì)不同構(gòu)件進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)定，網(wǎng)格劃分后共計(jì)包含314 433個(gè)單元。

在結(jié)構(gòu)靜力分析中，只需要考慮鏡架靜止放置時(shí)所承受的重力，不用考慮構(gòu)件之間的內(nèi)力［8］。施加約束時(shí)對(duì)于底板的最下方平面施加all dof約束即可，然后進(jìn)行分析。

分析之后，得到了鏡架的變形云圖以及應(yīng)力云圖，如圖2～圖7所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

圖3 x方向變形云圖

圖4 y方向變形云圖

圖5 z方向變形云圖

圖6 總變形云圖

為方便分析，各個(gè)方向最大變形數(shù)值和最大應(yīng)力數(shù)值見表2。

表2 鏡架最大變形和最大應(yīng)力數(shù)值

從表2中可以看出，最大變形發(fā)生在y方向，即與鏡片垂直的方向。具體部位在最上方鏡架的頂部，其數(shù)值為30.244m。其形成的原因是整個(gè)結(jié)構(gòu)越接近底部剛度越高，而越接近頂部剛度越低，在框體組件的重力壓迫下，豎直的兩個(gè)框體組件連同其支架繞著支架根部輕微旋轉(zhuǎn)所造成。此輕微旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)半徑約為1 066mm，由公式S＝φR可近似求得由于此變形導(dǎo)致支架所旋轉(zhuǎn)的角度為：

顯然，這個(gè)微小的角度變化會(huì)造成鏡片的位置變化，從而影響打靶精度。但是從光學(xué)角度來講，如果鏡片的位置變化后，其所在平面仍然與原平面平行，則光線反射效果不變。而鏡架的調(diào)整范圍為±7.5mrad，顯然，這個(gè)輕微轉(zhuǎn)角完全可以用驅(qū)動(dòng)組件的進(jìn)給來彌補(bǔ)，且基本不影響驅(qū)動(dòng)組件的最大調(diào)整量。

最大應(yīng)力數(shù)值為8.167MPa，發(fā)生在驅(qū)動(dòng)組件的球頭與框體的接觸處附近以及懸掛球頭的拐角處等，其部位較分散，但是其數(shù)值較低，遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。

由此可見，結(jié)構(gòu)靜力分析所得到的變形和應(yīng)力這兩個(gè)結(jié)果都是滿足要求的。

3 反射鏡架的動(dòng)態(tài)特性分析

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中，一個(gè)重要的問題就是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有頻率分析。一般來說，結(jié)構(gòu)的固有頻率只與自身的剛度和質(zhì)量有關(guān)。一個(gè)很常見的現(xiàn)象就是結(jié)構(gòu)在受到與其自振頻率相近的載荷作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振。由于共振現(xiàn)象對(duì)于結(jié)構(gòu)的破壞性較大，所以結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析是動(dòng)力學(xué)分析中一個(gè)非常重要的問題［9］。

在本次分析中，通過模態(tài)分析來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，比如固有頻率和各階振型。

模態(tài)分析的前期工作如建模、選擇單元類型、賦予參數(shù)、布爾運(yùn)算和劃分網(wǎng)格等與靜力分析一致，故可直接使用靜力分析時(shí)的保存文件。在模態(tài)分析中，不需要施加載荷，只需要在底板的最下平面施加全位移約束即可，然后選擇分析類型為Modal。本次分析中，提取前六階模態(tài)，得到的前六階固有頻率見表3。

表3 反射鏡架前六階固有頻率表

從表3中可以看出，鏡架結(jié)構(gòu)的一階固有頻率最小，為40.076Hz。而靶場(chǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)剛架的基頻約為26Hz，二者相差了14.076Hz。依據(jù)振動(dòng)理論，不會(huì)引起共振現(xiàn)象，顯然文中設(shè)計(jì)的電動(dòng)反射鏡架的固有頻率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

依據(jù)“神光”工程的指標(biāo)要求，建立了四路集成反射鏡架的結(jié)構(gòu)模型，分析了模型在靜載荷下的應(yīng)力分布，同時(shí)也分析了結(jié)構(gòu)的前十階固有頻率，并且與項(xiàng)目的指標(biāo)要求進(jìn)行了對(duì)比，得到了符合要求的結(jié)論，為未來的八路集成鏡架和十六路集成鏡架的預(yù)研工作打下了一定的基礎(chǔ)。同時(shí)，也證明了無軸式鏡架具有實(shí)際應(yīng)用可行性。

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