激光镜装配的设计和分析

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在由原子武器研究院(AWE)设计的新型高能激光设备,能够为先进材料的研究提供工具。该研究院的工程师正使用LUSAS Analyst,帮助优化在这个设备中使用的激光镜装配的设计。


激光镜装配的详细信息

每台电脑控制激光镜装配,发射一个400mm x 400mm的激光束到目标区域。镜子本身在使用期间必须保持平整和稳定,使得在250m长的光束路径的目标末端,获得50的瞄准精度。为了达到这个要求,425mm x 425mm x 10mm的石英镜与一个70mm厚的复合陶瓷泡沫塑料(专利申请号为GB9701519.2)粘合,并被安装到固定台上。三个高度调节器,被固定到70,000吨重的激光设备混凝土结构上,通过3个安放在最适宜支承位置的弹性交叉铰,支持着固定台。


激光镜装配的所有构件分别被建模,并使用一共84组滑移线把它们连接到一起。滑移线允许单独不匹配的网格划分能够用在接触面上。有了滑移线,构件的重新建模或移动而不需要重新网格划分,成为了可能,而且界面条件能够很容易的改变,以适应设计的改变。总共10种不同的材料,61个模型构件被定义,整个模型单元数为4000个。


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设计考虑

振动的回转模态在这个分析中是首先要关心的,因为这将影响激光束在目标上的精确性。垂荡模态、横荡模态和扭转模态不会影响目标的精确性。最低频率模态的设计目标是10Hz。一系列分析被进行,来研究对初始激光镜装配模型可能的增强。


初始的激光镜模型

从对初始激光镜模型的固有频率分析中可以发现,最低阶的振动模态是频率为23.2Hz时的扭转模态,而第二阶模态是频率为29.9Hz时的垂荡模态。通过调整侧面板的角度、加劲固定台和重新定位高度调节器,可以提高垂荡和扭转模态。


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初始的激光镜装配最终的激光镜装配

 

修改的激光镜模型

根据初步的结果,激光镜的固定台被重新设计,以增大刚度减少质量。高度调节器也被重新配置。然后对修改的设计进行分析,发现最低阶固有频率增加到76.7Hz,而且垂荡模态都发生在频率大于160Hz时。对该模型进行荷载分析,添加电动的高度调节器,最大调节高度为+/- 0.75mm ,竖向加速度为1g,来研究对激光镜平整性的影响。该目标最大的法向偏差被设计为0.25。通过调整固定台的厚度、激光镜的背衬和弹性铰属性,最终的激光镜装配设计完成。


最终的激光镜模型

最终的激光镜装配设计,具有50.6Hz54.2Hz的最低阶垂荡模态——远远高于目标的最低限度。因为固定台刚度的减少以及弹性交叉铰的修改,频率降低到最优值之下。对最终的激光镜装配模型进行分析,确定当在三个垂直方向施加1E-10g/Hz的地面激励时激光镜表面的响应特性。使用LUSAS Graphics和结果偏差图形,对该表面上的节点计算出法向功谱密度位移响应。.


结论

通过使用LUSAS Analyst,提供最佳的调节器装配位置和方向、提高整体刚度、减少总重量和降低调节器的影响,激光镜的表面平整性的设计被大大地改进。对预期变形模式和程度的评估,已经帮助激光器设计的工程师们理解并改进了他们的设计。在这个分析中使用的模型和技术,为AWE进一步开发激光镜装配提供了一个基础,并为其它类似设备提供了分析的指导方针。

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