精密光束偏离装置棱镜组件的光机热分析

　　0　引言

　　在星间激光通信的研究中,通信终端的性能一般首先通过地面检测验证得到[1,2],如何获取通信终端的精跟瞄特性是其中一项关键内容.文献[3~6]提到了精密光束跟踪扫描方法,有的结构复杂,控制困难;有的难以满足高准确度的检测要求.本文提出了精密光束偏离装置,主要优点是光束偏离准确度高,结构简单,易于控制.其基本原理为两个相同的圆形棱镜前后正交布置,分别绕水平轴和垂直轴在0~5°内旋转,透射光束在水平方向和垂直方向产生600μrad的偏离,偏离准确度可以达到亚微弧度量级,能够满足空间光通信精跟瞄性能检测的需要[7].

　　本装置属于高准确度大型光学检测设备,为了满足精跟瞄性能检测的要求,必须具有极高的准确度和良好的动静态特性,因此在研制过程中必须经过系统的光机热集成分析,对一定使用条件下系统的力学性能,尤其是大口径光学组件的性能做出正确的评估,以降低研制成本与风险,优化结构设计.本文结合有限元分析方法对装置的前后棱镜组件的动静态性能及热2结构变形进行了全面的分析和评价.

　　1　结构静力学分析

　　结构静力学有限元分析的实质是研究稳态机械载荷和热载荷作用下的结构响应问题,这是进行机械设计和强度校核的基础.本文首先对机械载荷进行分析.一般的情况下,有限元软件的分析步骤为:实体建模、网格划分、条件设定(材料、约束、载荷)、求解方程和后处理.

　　在Pro/Engineer内完成本装置各部件的精确造型和总成装配,并获取装置的几何参量和物理参量(如重量、体积、质心位置、转动惯量等)·装置总成如图1(a),前棱镜组件绕水平轴旋转,后棱镜总成绕垂直轴旋转,前后棱镜的楔面侧相邻,平面侧都朝外.前后棱镜组件结构相同,棱镜及楔形垫圈放置在内镜框里,内镜框装置在外镜框中,并有微调机构校正棱镜主截面的位置,最后用压板和弹性垫圈将棱镜固定在外镜框上.长短半轴刚性连接在外镜框上,前棱镜组件长半轴居左,后棱镜组件长半轴居上.由于底座及动力驱动装置固定在工作平台上,直接对装置使用准确度产生影响的是前后棱镜组件,所以本文的研究主要围绕前后棱镜组件的力学特性进行.根据前后棱镜组件精确模型的几何及物理参量,对其CAD模型进行简化,使简化模型的几何物理参量与精确模型相当.

　　棱镜组件有限元分析既可以在Ansys等专用有限元分析软件中进行[8],也可以直接在Pro/Engineer的集成模块Pro/mechanica下完成.本文同时在Ansys8.0和Pro/mechanica wildfire进行了分析,并将分析的结果进行对比.采用自适应网格划分,内外镜框、压板、弹性垫圈及长短半轴共产生27346个四面体单元,46503个节点;考虑到棱镜的特殊作用,单独对其进行网格划分,共产生10553个四面体单元,16648个节点,如图1(b).对各零件实体附材质,如表1,有限元模型质量为44.2 kg.