光機精度CAE分析報告課件

光機精度

CAE分析報告

1概述本課題以某電視分系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)作為具體分析對象，建立電視、激光接收光軸精度有限元分析模型；計算在過載、振動、溫度等機載條件下，電視系統(tǒng)光軸偏轉(zhuǎn)角的變化、電視光軸與激光光軸間夾角的變化；確定影響其變化的主要參數(shù)，調(diào)整這些參數(shù)，進行優(yōu)化設計。本課題完成的主要內(nèi)容有：(1)以三維CAD模型為基礎，生成新的CAE裝配模型?？紤]到變倍機構(gòu)處于兩個不同極限位置，生成了兩個模型。(2)進行了多種工況的變形計算。(3)計算了結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。(4)計算了在給定載荷譜作用下，結(jié)構(gòu)的動力響應。經(jīng)處理可以得到結(jié)構(gòu)不同部位(主要是各鏡片)的變形、轉(zhuǎn)角和響應曲線等。

計算模型見圖1～圖3。計算按線性進行，忽略所有非線性因素。如由于尺寸公差、裝配等原因所產(chǎn)生的間隙、過盈應力、零件間的接觸和摩擦、螺釘預緊力；材料的非線性(如橡膠材料屬于非線性彈性材料)；以及在動態(tài)計算時不考慮材料和結(jié)構(gòu)的阻尼等。

2.2單元劃分原則對簡單、規(guī)則的零件，盡量采用六面體單元；對復雜零件，可采用四面體單元，但應適當增加單元密度以保證網(wǎng)格的質(zhì)量和計算精度。每個零件在劃分單元后，均應按照NASTRAN軟件的標準進行單元質(zhì)量的檢查和試算。裝配之后，通過設置連接單元將有關(guān)零件連接到一起。2.3材料性能模型中用到的材料類型及有關(guān)性能見表1。(表1略，請見報告中"表

1模型用到的材料類型及有關(guān)性能

")2.4約束條件計算時取安裝支座與外部的三個連接孔的所有內(nèi)表面節(jié)點為固支。

圖1

有限元模型圖3狀態(tài)二，變倍鏡組、凸輪套筒與凸輪撥桿的相對位置

3.2動態(tài)計算動態(tài)計算內(nèi)容有：

a.

固有頻率及振型計算了5000Hz以下的全部固有頻率和振型。

b.

隨機響應響應計算時的載荷譜見圖4。響應計算時取阻尼比為5％。

4

計算結(jié)果對應于變倍機構(gòu)分別處于兩個不同極限位置，分別形成了兩組計算結(jié)果。由于兩種狀態(tài)的結(jié)果基本相同，下面僅敘述狀態(tài)一的結(jié)果。然后對兩種狀態(tài)的結(jié)果給出一個簡單比較。4.1靜態(tài)計算結(jié)果見表2～表6和圖5～圖12。表2各靜態(tài)載荷情況的結(jié)構(gòu)最大變形值(mm)序號載荷情況Ux(max)Uy(max)Uz(max)Usum(max)1Nx=3-0.008120.00402-0.002810.009042Ny=5.50.009790.00576-0.005150.01103Nz=3-0.007530.00846-0.01100.01104序號1+2+3-0.00860.0110-0.01110.01295溫度+60oC-0.4050.434-0.5250.5926溫度-45oC-0.591-0.6300.7630.866圖5三個方向過載同時作用時的結(jié)構(gòu)變形(放大100倍)

圖6三個方向過載同時作用時各透鏡的變形(放大100倍)

圖7溫度(+60oC)時的結(jié)構(gòu)變形(變形放大25倍)

圖9溫度(-45oC)時的結(jié)構(gòu)變形(變形放大20倍)

圖10溫度(-45oC)時各透鏡的變形(變形放大50倍)

圖12(-45oC)時，透鏡UG_W_30161-05.1-1的變形(50倍)表3透鏡中心線兩端節(jié)點在總體坐標系中最大變形值(mm)工況透鏡名節(jié)點UxUyUz三方向過載UG_W_30161-01-2

91807-0.00831-0.00433-0.0053191801-0.00682-0.00350-0.00531(+60°C)UG_W_30161-01-291807-0.17000.1658-0.113591801-0.15100.1591-0.1077(-45°C)UG_W_30161-01-2918070.242-0.2360.161918010.215-0.2260.153表5溫度-45?C，各透鏡在總體坐標中的相對變形和轉(zhuǎn)角透鏡名稱

ΔUx(mm)ΔUy(mm)ΔUz(mm)θx(弧度)

θy(弧度)θz(弧度)UG_W_30161-01-2

-0.02720.0095-0.0077-0.0006-0.001840UG_W_30161-01.1-1-0.0170.006-0.005-0.0007-0.001850UG_W_30161-01.1-2-0.0070.003-0.003-0.0008-0.001750UG_W_30161-05.1-10.004-0.0060.00240.00113-0.00113-0.0047(16.16‘)上、下棱鏡對合面-0.028-0.0610.0610.000900.00197-0.0025表6溫度-45?C，各透鏡在局部坐標中的相對變形和轉(zhuǎn)角透鏡名稱

ΔUx’(mm)ΔUy’(mm)ΔUz’(mm)θy’(弧度)

θz’(弧度)UG_W_30161-01-2

-0.0077-0.02720.0095-0.0006-0.00184UG_W_30161-01.1-1-0.005-0.0170.006-0.0007-0.00185UG_W_30161-01.1-2-0.003-0.0070.003-0.0008-0.00175UG_W_30161-05-1-0.0012-0.00190.007-0.00304(-10.45‘)-0.00082UG_W_30161-05.1-1-0.00141-0.007070.0024-0.0008-0.00236上、下棱鏡對合面0.07800.0280.03880.000700.0003754.2動態(tài)計算結(jié)果動態(tài)計算包括：固有頻率和振型計算。前8階頻率的計算結(jié)果見表7；前4階頻率的振型見圖13～圖16；在給定功率譜作用下的隨機響應計算。若干響應較大的透鏡的加速度響應和位移響應結(jié)果見表8～表9。典型加速度響應曲線見圖17～圖18。圖131階頻率對應的振型，最大振動部位為電機組件

圖142階頻率對應的振型，最大振動部位為電機組件

圖153階頻率對應的振型，最大振動部位為CCD組件后鏡筒

圖164階頻率對應的振型，最大振動部位為橡膠柱

表8若干透鏡的Z向加速度響應功率譜值((m/s^2)^2/Hz)透鏡名稱

峰值頻率點1響應值點2響應值點1均方根值點2均方根值UG_W_30161-01-2

286.911.557.6249.3641.26UG_W_30161-01.1-1286.97.165.1842.8136.67UG_W_30161-01.1-2286.94.425.1834.0336.67UG_W_30161-05.1-116899.179.1752.5052.49UG_W_30161-05-416754.915.5737.4639.14UG_W_30161-05-616757.916.1044.6140.44圖17透鏡UG_W_30161-01-2的加速度響應功率譜

圖18透鏡UG_W_30161-05.1-1的加速度響應功率譜

表9若干透鏡的位移響應功率譜均方根值(mm^2)透鏡名稱

節(jié)點RMSxRMSyRMSzUG_W_30161-01-2

91807733.97.7UG_W_30161-01.1-193404733.26.1UG_WJW_BIAN4BEI4_JIAOHE2JING4(1)(A)

1475331.96828UG_W_30161-05.1-1100753732.14.4上棱鏡554902.5744.9下棱鏡65509742.54.95結(jié)果分析

5.1變倍鏡組處于不同位置時的結(jié)果比較各種靜態(tài)工況下，兩種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)最大變形見表10；透鏡中心線相對激光輸入點的最大變形見表11；兩種狀態(tài)的前8階結(jié)構(gòu)固有頻率見表12；兩種狀態(tài)的透鏡最大隨機響應結(jié)果見表13和表14。比較可見，兩種狀態(tài)的計算結(jié)果基本一致，其中，靜態(tài)結(jié)果和固有頻率結(jié)果的差別均不大于1％。只有最大加速度響應的結(jié)果差別要大一些(約15％)。表10不同工況，兩種狀態(tài)的最大變形計算結(jié)果(mm)

對象載荷工況狀態(tài)1狀態(tài)2最大變形位置整個結(jié)構(gòu)三方向過載0.01290.0129電機、棱鏡溫度+60oC0.5920.592橡膠柱溫度-45oC0.8660.866橡膠柱透鏡三方向過載0.01260.0126棱鏡，UG_W_30161-01-2溫度+60oC0.3030.303UG_W_30161-01-2溫度-45oC0.4320.432UG_W_30161-01-2表11透鏡中心線相對激光輸入點的最大變形(mm)

載荷工況狀態(tài)1狀態(tài)2最大變形位置三方向過載0.013080.01316UG_W_30161-03.1.2-2溫度+60oC0.38160.3814UG_W_30161-05.1-1溫度-45oC0.54200.5398UG_W_30161-05.1-1激光輸入點位置取在透鏡UG_W_30161-01-2中心線上，Z值較小的端點處。表12兩種狀態(tài)的前8階固有頻率計算結(jié)果(mm)

階數(shù)狀態(tài)1狀態(tài)2最大振幅位置1285.7512285.9183電機組件2299.1462299.2418電機組件3319.2514319.2708CCD組件的后鏡筒部分4526.9906527.1832橡膠柱5542.4699542.6509CCD組件的后鏡筒部分6648.4732648.6375電機組件7680.0833680.1031CCD組件的后鏡筒部分8765.1437766.0502橡膠柱表13兩種狀態(tài)的加速度隨機響應均方根值((m/s^2)^2)序號狀態(tài)1狀態(tài)2響應位置152.5044.65UG_W_30161-05.1-1

242.8141.89UG_W_30161-01.1-1

336.6735.82UG_W_30161-01.1-2

444.6136.17UG_W_30161-05-6

539.1432.62UG_W_30161-05-4表14兩種狀態(tài)的位移隨機響應均方根值(mm^2)序號狀態(tài)1狀態(tài)2響應位置17474上棱鏡27474下棱鏡

37373UG_W_30161-05.1-1

47373UG_W_30161-01.1-1

57373UG_W_30161-03.1.2-15.2不同工況的結(jié)構(gòu)變形比較最大變形發(fā)生在溫度為-45oC的情況。而三方向過載同時作用下的變形僅為-45oC時變形的1/35。溫度載荷作用時，最大變形出現(xiàn)在用來支撐分光棱鏡的橡膠柱上。由于棱鏡材料的熱膨脹系數(shù)比鋁合金(安裝支座的材料)小得多(約為其0.34倍)，因此在溫度載荷作用下，棱鏡與安裝支座之間的間隙(兩邊各約0.1mm)會有較大變化(粗略估算，兩邊間隙合計減小約0.045mm，約為原有間隙的1/4.5)，從而使橡膠柱受到較大作用力，會在橡膠柱中產(chǎn)生較大的應力和變形，并導致分光棱鏡也有比大多數(shù)透鏡較大的位移。5.3透鏡外圓周膠層的影響為了透鏡與鏡筒的連接，在透鏡外圓周涂有一薄層膠，厚度為

0.1～0.25mm。同時透鏡在軸向還與其它零件接觸，以防止其軸向移動。

計算時發(fā)現(xiàn)，如果只考慮透鏡與鏡筒之間的徑向連接，不考慮透鏡的軸向連接，則透鏡會產(chǎn)生相當大的類似于剛體的位移

(即整個透鏡有較大的位移，但透鏡內(nèi)部的相對位移很小)。

由于膠層的彈性模量比透鏡材料小2～3個數(shù)量級，在抵抗結(jié)構(gòu)變形方面，膠層幾乎不起作用。對限制透鏡位移起主要作用的是與透鏡軸向接觸的零件，改變膠層的厚度，對透鏡的位移不會有明顯影響。但從減少透鏡的徑向間隙以限制透鏡徑向位移的角度出發(fā)，應該盡量減小膠層的厚度。

在有軸向連接的情況下，實際計算結(jié)果，所有透鏡的最大變形仍然出現(xiàn)在透鏡的外層，即膠層上。由前文提供的透鏡變形云圖可以明顯看出，膠層的變形遠遠大于透鏡鏡片的變形，這是由于透鏡和鏡筒的變形不一致而造成中間膠層的較大變形，更加說明膠層對透鏡變形的限制作用很小。

5.4模型簡化對計算結(jié)果的影響

(1)計算時用連接單元代替螺釘、銷釘?shù)冗B接件的作用。雖然采用了”柔性”的連接單元，但連接單元的連接剛度一般大于實際的連接剛度。連接單元越多，影響越明顯。造成計算變形值小于實際變形，計算固有頻率大于實際固有頻率。

(2)由于沒有考慮間隙、接觸等的作用，計算時不能阻止相鄰零件的相互嵌入。當相鄰零件的結(jié)構(gòu)變形超過間隙值時，有可能出現(xiàn)零件相互嵌入的情況(量值很小)。此時計算模型的表現(xiàn)要比實際情況軟一些，即計算變形值大于實際變形，計算固有頻率應小于實際固有頻率。(3)根據(jù)幾何非線性的理論，當結(jié)構(gòu)中應力遠小于材料的屈服應力時，螺釘?shù)念A緊力、過盈裝配產(chǎn)生的應力等會增加結(jié)構(gòu)的剛度。本計算中未考慮這些初始應力的作用，因此計算剛度會略小于實際剛度，其影響同

(2)。

(4)整個結(jié)構(gòu)的約束條件取為安裝支座與外部結(jié)構(gòu)的三個連接孔的內(nèi)表面上全部節(jié)點的位移為零。由于在將產(chǎn)品安裝到外部結(jié)構(gòu)上時，連接螺釘與安裝孔之間必然有少量間隙，受力后產(chǎn)品可能有少量位移，而且外部結(jié)構(gòu)肯定是彈性的，對產(chǎn)品變形的限制不會完全剛性。因此這種約束方法可能比實際情況約束得更強一些，其影響同

(1)。(5)對軸承組件，忽略了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，簡化為圓環(huán)，原本想通過改變材料參數(shù)模擬其剛度，但未找到可用的資料，無法確定其剛度，由于軸承部分的質(zhì)量和剛度在整個結(jié)構(gòu)種所占比例很小，因而計算時材料仍取為鋼。這樣做，剛度可能大了一些，但相應的質(zhì)量也增大，二者互相抵消后對計算結(jié)果應該不會產(chǎn)生大的影響。從振型和響應的結(jié)果來看，軸承部分的振動很小，故這一簡化方法的影響也很小。綜上所述，各種結(jié)構(gòu)簡化的內(nèi)容對計算結(jié)果的影響是兩方面的，到底哪種因素占上風較難判斷。但可以認為，由于幾種因素的互相作用，計算結(jié)果雖然不可能與實際一致，但與實際情況應該是比較接近的。5.5溫度載荷下結(jié)構(gòu)變形的主要因素分析由前面結(jié)果可見，三個方向的過載在整個結(jié)構(gòu)和透鏡上產(chǎn)生的變形都很小，對產(chǎn)品性能影響不大。在溫度載荷作用下，整個結(jié)構(gòu)或透鏡的變形都比較大，透鏡之間的相對變形也很大。會對整個產(chǎn)品的性能產(chǎn)生較大影響。為便于采取措施減小結(jié)構(gòu)變形，首先需要對造成變形的原因進行仔細分析。在表15中給出了狀態(tài)一，溫度載荷(-45oC)作用下，安裝支座和透鏡的變形數(shù)據(jù)，表16中給出了安裝支座和透鏡自身的相對變形數(shù)據(jù)。圖19～圖21為安裝支座和透鏡UG_W_30161-01-2的變形云圖。表

15安裝支座和透鏡的最大、最小變形值

(mm)零組件名稱UxminUxmaxUyminUymaxUzminUzmax安裝支座-0.14020.3162-0.34850.0910-0.17760.1865全部透鏡-0.24030.3162-0.33490.0557-0.07700.2159透鏡UG_W_30161-01-20.12980.3121-0.3144-0.14210.09150.2159鏡片UG_W_30161-05.1-1-0.2403-0.1951-0.00540.01870.01190.0458表

16安裝支座和透鏡自身的最大相對變形值

(mm)零組件名稱Δ

UxmaxΔ

UymaxΔ

Uzmax安裝支座0.45640.43950.3641全部透鏡0.55650.39060.2929透鏡UG_W_30161-01-20.18230.17230.1244鏡片UG_W_30161-05.1-10.04520.02410.0577

由表15和16可見，雖然將安裝支座與外部連接用的三個安裝孔作為固支處理，已經(jīng)比實際情況更為剛硬，但是安裝支座仍然有較大變形。從數(shù)值上看，多數(shù)都超過了透鏡的總體變形。至于安裝支座自身的相對變形，更是遠大于單個透鏡自身的最大相對變形。由此可見，不同透鏡之間的相對變形主要由安裝支座上不同位置間的相對變形所引起，透鏡自身變形的影響并不大。

透鏡的整體位移可以分解為三部分：安裝支座變形產(chǎn)生的位移、將透鏡固定到安裝支座上的有關(guān)零件相對支座的變形產(chǎn)生的位移以及透鏡本身的變形。圖

19透鏡

UG_W_30161-01-2和安裝支座在

X方向的變形

圖

20透鏡

UG_W_30161-01-2和安裝支座在

Y方向的變形

圖

21透鏡

UG_W_30161-01-2和安裝支座在

Z方向的變形

其中支座的尺寸較大，其熱變形對透鏡的影響也較大，對透鏡的平移和轉(zhuǎn)動都有較大影響；固定透鏡用的零件(除直接固定在支座上外)一般尺寸較小，其熱變形對透鏡的影響也較小，且以垂直透鏡軸線的橫向位移和轉(zhuǎn)角為主。由圖19~21可見，透鏡UG_W_30161-01-2的變形分布與附近安裝支座部分的變形分布十分接近，說明該透鏡的變形主要由安裝支座和固定透鏡的零件的變形所引起，本身的相對變形在整個變形中只占較小部分。其它透鏡也與此類似。6

對于改進設計的一點建議

6.1透鏡徑向外表面的膠層在保證粘結(jié)性能的前提下，應盡量選用彈性模量大的膠料，目前所用膠料由于彈性模量比透鏡材料小2~3個量級，對限制透鏡變形基本沒有作用。