考虑环境适应性的大口径激光发射系统卷帘式密封窗口研究

论文摘要

依据GJB 4239《装备环境工程通用要求》,环境适应性指‘装备(产品)在其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下,能实现其所有预定功能和性能和(或)不被破坏的能力,是装备(产品)的重要质量特性之一’。产品的环境适应性性能主要与产品的结构设计、选用的材料、材料的处理工艺及制造时采取的抗环境措施有关。一般来说,当产品制造完成后,其环境适应性能力也就基本确定。由于不同产品的环境适应性指标千差万别,几乎不可能在每个方面都做到十分优秀,因此在产品设计过程中要根据产品设计指标确定某些需要定量满足的环境适应性要求,对于其余的指标则只需要定性满足要求即可。随着加工制造技术及自适应光学的发展,常用于军事对抗方面的激光武器得到了长足的发展。由于激光无可比拟的速度、准直性、能量可调等优点,激光武器的研制愈发受到各国政府的重视,高功率激光武器系统层出不穷,导致激光发射系统的口径不断增大。然而只有激光发射系统保持洁净,发出的激光光束具有较好聚焦效果,激光武器才可以对目标造成足够的破坏,所以需要对激光发射系统进行密封,使腔体内部镜片与外界污染物隔绝开来。因此,研究激光发射系统密封结构及其环境适应性对于提高激光发射系统作战效能具有重大意义。本文以某车载高功率多波段激光发射系统为研究载体,对其发射系统密封问题展开研究,主要研究内容包括依据设备性能要求确定相应的环境适应性指标、通过分析比较确定密封窗口结构形式、依据结构形式分析窗口受力变形找出影响密封性能的关键因素、通过控制变量法分析不同参数对密封效果的影响程度、采用集成优化方法确定窗口最佳结构尺寸、最终依据环境适应性指标对所设计的窗口进行检验。各部分内容具体阐述如下:1.窗口类型分析:常见的激光发射系统末端窗口的密封方式主要有两种:晶体窗口和气动窗口。晶体窗口密封性能好但晶体材料制备复杂,价格高昂且激光功率过大时,晶体会由于受热不均产生畸变导致激光聚焦能力下降,影响其作战效果;气动窗口密封性能稍差且需要制备特殊气体,大口径密封必然需要加大气流出射速度,气体湍流效应会使光束产生畸变。考虑到发射系统间歇工作的特点,所以本文提出了一种利用覆盖压紧密封方法的运动式密封结构。2.窗口密封性能影响因素分析:车载设备高度集成,空间尺寸极为有限,所以窗口只能采用卷帘式密封结构形式,该类型窗口受力变形情况与薄板的大挠度变形受力情况相似。卷帘中心挠度小于一定值是保证窗口具有密封能力的关键,通过理论分析得出影响卷帘中心挠度的因素有卷帘材料的弹性模量、卷帘材料的厚度、卷帘材料受到的预紧力。3.计算仿真结果分析:利用控制变量法研究不同变量对卷帘中心挠度的影响程度。得出如下结论。不同材料变形云图具有相似的变化规律:卷帘中心挠度最大,并依次减小;变形量与弹性模量为负相关关系;卷帘厚度较小时,增加卷帘厚度可以显著提高密封能力;但当卷帘厚度过大时,由于卷帘半径较大,卷帘自重无法忽略,厚度的增加反而导致中心挠度上升;水平力F_x与卷帘中心挠度两者基本是等比例变化;在不同的卷帘厚度下,曲线的变化形式基本一致,说明变化关系与卷帘厚度无关;厚度较大时,相同比例变化的外力引起的挠度变化较小。因此设计的结构在满足系统基本要求之外,可以考虑提供较大的预紧力,同时使倒角θ尽可能小。4.窗口尺寸优化设计:利用ANSYS workbench平台,采用多目标遗传算法(MOGA)对窗口结构尺寸进行优化,优化变量采用对中心挠度有影响的相关窗口设计参数,最终得到了满足设计要求的窗口结构尺寸。结合环境适应性指标对窗口进行了结构动静力学分析,仿真结果显示窗口各项指标均满足设计要求。5.窗口实验验证:依据设计指标对加工窗口进行实验验证。振动实验结果显示窗口一阶频率为216Hz,与有限元仿真符合情况较好。窗口在指标要求频率范围内不会发生共振,结构设计合理;卷帘材料高低温实验结果表明,使卷帘材料在不同温度下卷紧卷轴的力变化不大,由于电机选型时已有充分的设计余量,因此卷帘可以正常运转,保证密封能力。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 相关领域的研究现状

1.2.1 密封窗口研究现状

1.2.2 车载设备环境适应性研究

1.3 本章小结

第二章环境适应性研究

2.1 环境适应性的发展历程

2.2 本课题考虑的环境指标

2.3 高低温环境的影响及解决办法

2.4 腐蚀环境的影响及解决办法

2.5 振动的影响及解决办法

2.5.1 弹簧阻尼器隔震原理

2.5.2 密封窗口减振措施讨论

2.6 本章小结

第三章密封窗口结构设计及有限元分析

3.1 窗口开合形式选择

3.2 窗口密封原理

3.3 密封窗口结构设计

3.3.1 卷帘受载变形理论分析

3.4 窗口组件材料选择

3.4.1 窗口框架材料选择

3.4.2 卷帘材料选择

3.5 密封效果的影响因素分析

3.5.1 有限元分析模型的建立

3.5.2 弹性模量对卷帘中心挠度的影响分析

3.5.3 卷帘厚度对中心挠度的影响分析

3.5.4 预紧力对卷帘中心挠度的影响分析

3.6 本章小结

第四章应用集成优化方法的窗口设计

4.1 优化设计及优化方法介绍

4.2 窗口集成优化参数

4.3 优化结果及分析

4.3.1 密封窗口模态分析

4.3.2 密封窗口随机振动分析

4.3.3 窗口电机选择

4.3.4 弹性拉紧机构设计

4.3.5 组装窗口动静力学有限元分析

4.4 本章小结

第五章窗口实验验证

5.1 卷帘温度特性测试

5.2 窗口动力学测试

5.2.1 窗口基频

5.2.2 正弦扫频实验

5.2.3 窗口随机振动

5.3 本章小结

第六章总结与展望

6.1 论文总结

6.2 展望

参考文献

在学期间学术成果情况

指导教师及作者简介

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任天赐

导师: 邵帅

关键词: 环境适应性,大口径激光发射系统,密封窗口,集成优化,模态分析

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,武器工业与军事技术,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

分类号: TN249;TJ95

总页数: 96

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