神光Ⅱ升级装置中靶场桁架的结构稳定性

　　随着高功率激光装置的不断发展,其结构越来越复杂,保证光束指向性(打靶精度)不再是简单的调整问题,而必须在结构设计和工程实施上全面考虑。ICF装置中,各光学元件在周围环境激励作用下引起的光束漂移误差是影响光束指向性的主要原因。因此,为保证光束指向性,关键是要保证各光学元件支撑结构的动态稳定性[1-4]。不同的固体激光装置对打靶精度的要求也不同[5-6]。我国的神光Ⅱ升级装置要求打靶精度优于30μm。根据误差分析理论,为实现神光Ⅱ装置的打靶精度,分配到大口径反射镜的动态稳定性指标为:最大角度误差不大于0.5μrad[7]。靶场桁架作为大口径反射镜的支撑结构,其结构稳定性是影响大口径反射镜动态稳定性的主要因素,因此,在工程实施之前对其进行稳定性研究不但有利于满足神光Ⅱ装置对大口径反射镜的稳定性指标要求,还能节省材料成本。本文从提高结构稳定性的的基本理论出发,采用有限元方法[8],研究了靶场桁架结构稳定性,提出了靶场桁架结构稳定性设计的几点考虑,为神光Ⅱ升级装置中其它关键光学单元结构的稳定性设计提供了重要依据。

　　1　结构稳定性理论

　　衡量结构稳定性的常用指标为动刚度,即机械结构产生单位振幅所需的动态力。机械结构的动刚度,不仅与它的静刚度有关,还与它的质量、阻尼和振动频率有关。因此,分析机械结构的振型及其动刚度特性、研究提高动刚度的途径,就能较合理地设计结构、消除结构中的薄弱环节、增强机构的抗振能力,从而减小振动、避免自振、降低噪声、以及降低成本[9]。以单自由度系统为例,动刚度的幅频特性为

式中:k为静刚度;λ为频率比;ζ为阻尼比。

　　根据式(1),可得动刚度与频率比λ的关系曲线,即幅频特性曲线,如图1所示。由图可知,影响结构动刚度的几个参数(静刚度、阻尼比、频率比)在不同频率比范围内的影响是不同的:在准静态区(0≤λ≤0.7),动刚度主要取决于静态刚度k和结构的固有频率ω0;在共振区(0.7≤λ≤1·3),动刚度主要取决于静刚度k和阻尼比ζ;在惯性区(λ≥1.3),动刚度主要取决于单自由度系统质量m。根据神光Ⅱ装置地基的现场测试结果,地基激励信号的频率作用范围主要集中在20 Hz以下的低频段。由于靶场桁架结构复杂且跨度大的特点,其固有频率一般比较低(10~20 Hz),由图1可知,靶场桁架工作在共振区内。因此,在对靶场桁架的结构稳定性进行设计时,应尽量提高其固有频率和阻尼比。

　　2　靶场桁架结构稳定性设计的几点考虑

　　图2为靶场桁架的初始结构简图。靶场桁架初始结构由方形空心钢管(边长B=150mm,厚度D=8 mm)焊接而成,主体形状为对称式封闭构架。主要结构尺寸参数如表1所示。