基于ANSYS的某变焦系统仿真分析.pdf
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1、学术论文ARTICLES基于ANSYS的某变焦系统仿真分析申志芳刘艳红张凌峰(河南平原光电有限公司产品研发部,河南省焦作市,45 40 0 1)摘要:为某变焦系统进行热力学的仿真分析,利用UG软件建立变焦系统的三维实体模型,对模型进行合理简化后导入有限元分析软件ANSYSWorkbench中,模拟变焦系统在环境温度下的形变,得到了变焦系统的形变云图和温度-变形曲线,找出导致变焦系统在变焦过程中光轴失调量超差的原因,并进行优化设计,使该变焦系统满足设计要求。关键词:激光架束制导仪;变焦系统;ANSYSWorkbench;仿真分析;环境温度;失调量0引言变焦系统是激光架束制导仪的关键部件,它能够改
2、变发射激光束的波束角,在导弹飞行空间形成一个光斑直径一定的空间信息场,其变焦精度决定了制导仪的制导精度。变焦系统通常为连续光学变焦结构,如图1所示。该变焦系统结构简单、体积小,变焦倍率一般在2 0 倍以内,但该结构在高低温下形变较大。为扩大制导仪的制导距离,使制导仪可用于机载或舰载上,需要提变焦系统的高变焦倍率,连续光学变焦结构已无法满足设计要求。为此,在某制导仪上设计了机械变焦系统,尝试用变焦凸轮带动变倍镜组完成大倍率变焦功能。其结构如图2。经环境试验发现,该制导仪在低温下-40 下激光发射轴与观瞄轴的失调量超出了设计要求0.5 m。为此,对变焦系统进行仿真分析,找出影响激光发射轴与观瞄轴的
3、失调量超差的原因,并对其进行优化设计。镜活动柜丹补俊包后烟定活动期图1光学变焦结构图38Defense Manufacturing Technology|2022.06 第 2 期图2 大倍率机械变焦结构图1变焦系统有限元模型的建立1.1三维模型的倒入利用UG三维设计软件建立大倍率机械变焦系统的实体模型。通过分析,变焦系统中的玻璃质量轻且基本受力,可以忽略。为便于划分网格,对变焦系统的几何模型进行合理简化,一些小尺寸如小孔、开口、螺纹孔等忽略掉,倒角、圆角化为直角。对构成变焦系统的三组透镜进行简化,只保留每组透镜的外框,忽略玻璃的温度变化。保留了变焦系统的框架以及连接的外壳。简化后的三维模型如
4、图3 所示。31115图4变焦系统结构中节点的选取1.5分析方法变焦系统光轴发生偏转是由于变倍组和补偿组的轴线在温度变化时发生了扭转变形造成的。考虑到透镜与镜筒之间的变化量小到可以忽略,用镜框中心代替透镜中心,简化模型,通过计算镜筒变形轴线所产生的转角近似代替透镜的镜轴转角。方法如下:依次在部件物镜、变倍组、补偿组和后固定组中与透镜接触面的前后位置上,选取截面的四处象限点建立局部坐标系。将建立的坐标系原点依次标记,物镜为11 18,变焦组件为2 1 2 8,补偿组件为3 1 3 8,后固定组41 48,如图5 所示。L8L212531354145112413232212图3 简化后的变焦系统三
5、维模型1-壳体,2-框架,3-变焦凸轮,4-后固定组框,5-物镜,6-变焦固定框,7-变倍组框,8-滑杆,9-补偿组框1.2单元类型及网格划分将实体模型倒入到workbench中,采用实体单元的方法计算分析,网格类型为四面体网格。1.3材料属性在workbench中完成变焦系统各零件的材料属性定义。1.4约束及加载变焦系统各零部件之间采用绑定约束来模拟框架与壳体、变焦固定框与框架、后固定组框与变焦固定框之间螺栓、螺纹连接。同时,在变焦凸轮上施加约10ON的切向力,模拟凸轮运动过程中需要克服的最大摩擦力。如图4所示。(a)物镜节点位置131314(b)垂直方向物镜节点位移图5 变焦系统中物镜节点
6、的位移示意图以物镜为例计算透镜在热应力下发生的扭转角,如图5 所示。其中图5(a)表示物镜选取计算节点2022.06 第 2 期|Defense Manufacturing Technology1717:1 81839学术论文ARTICLES的位置。图5(b)为物镜计算节点中,垂直方向Y平面内前后两节点位移示意图。在垂直方向上,节点13、17、14、18 所构成的四边形表示环境温度为2 0 物镜在垂直方向上所处的状态;节点13,、17、14、18 所构成的四边形表示环境温度为-40 物镜在垂直方向上所处的状态,由于节点13到17、节点14到18 距离较短,变形可近似认为是线性变形。则透镜轴线的
7、变形转角可近似用AVERAGE(,)表示。分别计算计算物镜、变倍组、补偿组和后固定组在-40 时水平和垂直方向上透镜轴线的变形转角和,据此估算由此造成的光路的偏移产生的两轴失调量。根据仿真结果优化产品结构,再仿真,再优化,直到该失调量符合设计要求。2变焦系统热应力变形结果2.1热变形仿真结果变焦系统的环境温度从2 0 降低到-40,结构中各部件的热应力变形云图如图6 所示。从图6 可知物镜前端变形量最大,其由轴向X方向的变形所引起。ANSYS14.0图6 变焦系统在-40 的热应力变形图2.2变形分析计算表1表示物镜、变倍组、补偿组和后固定组选取各处节点在水平Zaxis和垂直Yaxis方向的位
8、移。物镜中水平相对偏移量Z指水平方向Z.-Z15以及Z12-Z16,垂直相对偏移量Y指垂直方向Y13-Y17以及Y14-Y180水平 Z axis 方向镜轴偏转角度 21:ASIN)式中,Z,物镜水平相对偏转量:40Defense Manufacturing Technology|2022.06 第 2 期物镜两组位置平面间(节点11到节点15)的距离。表1变焦系统热应力的节点变形量位置闻距1()Zaxis()Yaxis()8.57E-06-2.01E-058.15E-06物镜0.0120.008件2535后圆定组按式(1)求出水平和垂直方向镜轴偏转角度如表2 所示。根据表2,估算变焦系统透镜
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