弹性基体对光学仪器动态特性的影响

　　1　引　　言

　　在进行动力学分析的过程中,建立有限元模型是基体的也是十分关键的一步。模型建立的正确与否直接影响动力学分析结果的正确性及精度。建模过程中影响动力学特性的因素主要有:单元的选取、有限元网格的划分和边界条件的处理等。

　　单元的选取及网格的划分直接影响整机计算模型的质量及刚度的分布,即影响[M]、[K]矩阵。而边界条件的处理则影响阻尼的变化,同时也影响整体刚度。这些都对整机的固有频率、振型等动力学特性产生影响。这里重点研究一下边界条件的处理对光学仪器动态特性的影响。对于某些光学仪器,由于应用的需要,有时要固定到以薄壁的或杆件结构为主的基础上。

　　连接到这样结构上的仪器,往往同时还具有静态强度、静态刚度、疲劳寿命、动态刚度等要求。而且光学仪器对所处的各种复杂力学环境较敏感,各种形式的载荷、动态干扰将使光学仪器产生振动。若频率匹配不当,当固有频率与外界干扰频率相同或接近时将发生共振。这些都将对光学仪器工作的可靠性、成像质量等产生影响。因此精确确定光学仪器的固有频率,避免发生共振是很重要的。对光仪自身的特性尤其是动态特性要求很严,在分析中如何能正确评估仪器的动态特性就成为关键问题。通常研究某一仪器时对边界处理有两种分析方法:

　　(1)对边界进行全约束,分析其动态特性;

　　(2)将仪器用非常软的弹簧悬挂或支撑,分析其动态特性;

　　对安装在弹性基体上的仪器,第一种方法的基本前提就是假定边界处的节点的六个自由度全部约束,与实际情况不符。第二种处理方法可近似求得仪器自身的固有频率,但却忽视了与基体的动力学耦合。由于实际结构通常是弹性基体,与仪器主体存在耦合问题,对主体的动态特性有较大的影响,所以在研究主体的动态特性的同时必须要考虑与基体的动力学耦合问题。下面以一个光学仪器为例来研究其中的规律。

　　2　工程分析模型的建立

　　此光学仪器为折返式光学系统,其光学系统如图1所示由主镜1、次镜2组成。光学仪器有一个梁结构支架,并与筒状基体相连。由于基体为壳状结构不能作刚体看待,而应视为弹性体,图2为其结构模型图。

　　在研究光学仪器的动力学特性时主要考虑光学系统在整机动力学特性中的表现。所以在研究基体对光学系统动力学特性影响时主要考虑在光学元器件处出现的振型。对只包含主镜和次镜的光学系统,我们关心的是主镜次镜间的三个相对位移—离轴、倾斜和离焦。次镜相对主镜的横向移动定义为离轴;相对与次镜顶点相切的一个轴的旋转定义为倾斜;沿光轴的移动定义为离焦。对高精密光学仪器来说,上述三种位移的微小变化都会引起像差,使成像质量也有较大损失。焦距较大的光学系统对离轴和离焦更为敏感,对偏转的敏感程度稍微差一些。对整机建立力学模型。基体除框架外均采用壳单元。为了探讨基体刚度对仪器的影响,通过改变壳单元的厚度来改变其刚度。在UG II中建立有限元模型。通过Neutral中间文件转换到Patran中,用AdvancedFEM模块进行解算。由于模型较大,需要采用叠加的方式将两个分别建立的模型块连接到一起构成整个模型,有限元模型如图2所示。单元类型为八面体单元、三角单元、四边形单元。节点总数为14977,单元总数为11741。