摘 要：本文運用ABAQUS的結構熱分析模塊對某機載光電系統光機座的環(huán)境適應性進行了數值仿真研究，并依據數值分析結果優(yōu)選出光學基座的設計方案。最終設計方案三不僅重量可滿足設計指標小于20kg；且滿足機載高低溫范圍內，光學基座熱形變滿足系統設計要求小于0.2mm，強度安全。

關鍵詞：有限元模型；仿真結果與討論；光電系統

中圖分類號：TP211 文獻標識碼：A

光電技術是以激光、紅外和微電子技術為基礎，由光學、電子、精密機械和計算機技術相結合而形成的一個高新技術領域。光電經緯儀或其它地基光電跟蹤設備，在結構系統、伺服控制系統和光學系統設計等方面，均形成了較為完整的理論。而機載光電系統不僅包括精密儀器的設計，還要考慮精密儀器的載機環(huán)境，尤其是高低溫環(huán)境的適應性問題。光機系統中的光學基座設計，作為光電元器件的承載平臺，不僅要考慮安裝在其上的光電元器件的安全性，保證光機系統的高精度與可靠性，還要考慮自身在機載環(huán)境下的熱變形和溫度場分布是否滿足設計要求，實現系統在機載高低溫環(huán)境中，清晰穩(wěn)定成像跟蹤需求。

目前，機載設備的高低溫環(huán)境適應性問題主要通過兩種途徑解決，一種是采取改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施，通過添加輔助設備，如環(huán)控系統來改善光機所處的機載環(huán)境；另一種是選用耐環(huán)境能力強的結構、材料、元器件或工藝等，即通過改善系統的結構設計，提高光機系統的耐環(huán)境能力。本文主要通過第二種途徑的研究，來提升光機系統高低溫環(huán)境適應性。計算機數值仿真，可在設計初期就獲取豐富的分析數據，對設計進行優(yōu)化，且周期短、成本低，便于實現。

為此，基于ABAQUS結構分析模塊對某機載光電系統光學基座高低溫環(huán)境適應性進行了數值仿真研究。通過光學基座的數值仿真分析，在綜合考慮結構熱形變、強度、重量、及加工工藝等因素下，經過設計改進，獲取一個滿足系統要求的光學基座設計方案。

1 結構有限元模型建立

建立有限元分析模型包括三維結構模型的簡化、網格劃分、材料屬性設置。之后依據具體分析類型，進行約束與載荷施加，選擇計算類型進行仿真，分析結果。

1.1 模型簡化

根據結構熱傳導、熱對流，以及熱輻射等方面的理論依據，結合具體的分析對象和分析內容簡化有限元分析模型，確定被分析部件的簡化方式與程度。本文研究光學基座的高低溫環(huán)境適應性，所以文中光學基座為詳細模型，其上光電元件均簡化為等效質量塊，系統有限元模型如圖1所示。

1.2 網格劃分

該系統三維模型簡化后，以iges格式導入ABAQUS中，采用四面體網格和六面體網格進行劃分。三個光學基座方案的網格劃分結果如圖2（a）～（c）所示。

1.3 材料屬性

本文中設計方案的材料主要有銦36，硬鋁合金7075，以及各簡化部件的等效材料，見表1。由于各光學支路的鏡座和光電器件的安裝支架均采用硬鋁合金材質，所以等效材料時，使用重量等效原理，與鋁合金的材料性能相近。

1.4 邊界與載荷施加

機載高低溫環(huán)境有限元仿真的工況邊界與載荷見表2。系統通過6個安裝點處的不銹鋼螺栓與機體固定約束，所以在結構熱分析中，將根據不同材料的熱膨脹系數不同，將該約束處理為螺紋孔內壁的平面內約束。光學基座的下表面安裝光電元器件，上表面有載機提供的5℃氣源吹過進行強迫對流，所以光學基座上表面的結構設計會影響整個系統的散熱效率。

2 仿真結果與討論

該光電系統正常工作時受載機高低溫環(huán)境影響，可能會出現成像質量差，不能穩(wěn)定跟蹤與瞄準等，甚至結構的破壞。對于三種方案的結構熱分析結果見表3。

該光電系統機載環(huán)境溫度范圍-55℃～ 70℃：系統設計之初光學系統對光機座熱變形要求嚴苛，因此方案一選用了線膨脹系數較小的銦36鋼材料。但該材料密度較大，經詳細減重設計后，即使在結構局部加強筋僅2mm厚，且局部熱應力已超過材料許用應力的情況下，其重量仍不滿足要求，具體分析結果見表3。

方案一中的銦鋼光機座雖熱膨脹系數小，但其熱傳導性也差，溫度場分布不均勻，溫度梯度大，產生較大的熱應力集中。且其重量超過了20kg的設計限制，固不滿足設計要求。因此在方案一的基礎上，綜合材料力學和熱力學特性，選用硬鋁7075。該種材料是一種高強度的鋁合金，尤其在T6狀態(tài)下，可加工性好，且性價比高。方案二著重減小溫度梯度和重量，使溫度場更為均勻，重量滿足設計要求。但是由于鋁合金熱膨脹系數較大，導致其最大熱形變值達到0.42mm，超過0.2mm的設計要求，固亦不滿足設計要求。

在方案二的基礎上，針對熱形變較大的問題，對光學基座的上表面加強筋進行了散熱優(yōu)化設計。并進一步進行減重設計和提高加工工藝性，減輕加工應力對光機座精度的影響，最終完成了方案三的設計。有限元結構70℃環(huán)境下的熱分析溫度場和熱形變結果如圖3所示。

綜合以上三種方案，最終選擇各方面滿足設計要求的方案三，開展該光電系統的光學基座設計。該基座在滿足最大熱形變小于0.2mm的情況下，比原設計指標減重2.3kg，說明有限元分析手段是結構在嚴酷環(huán)境下設計和優(yōu)化的有效途徑。

結語

綜上所述，本文使用有限元分析手段，對光電系統中的光機座進行有限元高低溫環(huán)境下的有限元分析，根據分析結果，得出在有強迫對流的條件下，熱膨脹系數小不是降低熱形變的唯一途徑，根據流場情況，進行合理的導熱部件結構設計是降低設備重量和熱變形的良好選擇。且確定最終方案進行指導設計，樣機在高低溫試驗中，可靠穩(wěn)定工作。

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作者簡介：姚海艷（1983-），女，安徽鳳陽人，碩士，工程師，主要研究光電系統結構系統設計，及結構有限元分析與優(yōu)化。