Диссертация (1091101), страница 20

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 20)

Прогиб wi ≈ +0,500 мкм при ΔT = 100 CРисунок 4.3 – Термокомпенсированная модель пьезокорректора в диапазонетемператур от –60C до +200C. Прогиб wi ≈ –0,106 мкмТаким образом, принятые конструктивные меры позволили уменьшить температурный прогиб центральной части конструкции с зеркалом.Разработана компьютерная программа для моделирования дисковых пьезоприводов, позволяющая рассчитать эквивалентный ТКЛР многослойных дисков,рассчитывать перемещения исполнительного элемента, определять параметрытермокомпенсации нежелательных деформаций, определять влияние упругих связей с основанием на напряжения и деформации устройства.На рисунке 4.4 показан ход идеального пьезокорректора (идеальный ПК),пьезокорректора с упругой связью по нижнему контуру (Zs = 0) и с упругой связью по верхнему контуру пьезопривода (Zs = h), где h – толщина ситаллового диска-основания привода. Привод с Zs = h в области положительных температуримеет характеристику, позволяющую полностью скомпенсировать нежелательный прогиб.

Кроме того, в этой модели требуемое управляющее напряжение имеет меньший диапазон, чем для модели с закреплением Zs = 0.140Wз (мкм)1.000.75Ход зеркала Wз идеального и рабочих ПКИдеальный ПКWз(Zs=0)Wз(Zs=h3)0.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.00-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120T, град.СРисунок 4.4 – Зависимость хода различных моделей пьезокорректоровот изменения температурыВыводы: численным методом определено влияние контурного креплениямногослойного пьезопривода на температурную нестабильность пьезокорректорапериметра лазерного гироскопа. Методом конечных элементов определено влияние «кольцевого эффекта», вносимого кольцевым буртиком на ситалловом дискепьезопривода, ограничивающим нежелательную изгибную деформацию, а такжеопределены параметры этого буртика.

С помощью МКЭ смоделировано припойное соединение корпуса пьезокорректора и пьезопривода с буртиком. Подтверждены и уточнены аналитические методики моделирования температурных деформаций многослойных пьезоприводов. Разработаны оптимизированные моделиконструкций пьезокорректора, осуществляющие термокомпенсацию за счет: а)смещения точек крепления пьезопривода, б) введения термокомпенсирующегобуртика и в) введения термоактивного передаточного стержня.1414.2.

Моделирование соединения оптическим контактомпьезозеркала и корпуса оптического резонатораВ данном разделе представлены результаты исследования прочности соединения зеркала пьезокорректора (пьезозеркала) с корпусом ЛГ посредством оптического контакта. Моделирование проводилось методом конечных элементов сучётом изменения температуры. Исследование проводилось в рамках совместнойНИР с АО «НИИ «Полюс» им.

М.Ф.Стельмаха» [119].Исследуемая модель (рисунок 4.5) образована из двух частей – пьезозеркала1, размеры которого взяты из чертежа, предоставленного Заказчиком, и основания2 с конической частью, приближённо отвечающей конструкции корпуса резонатора. Для упрощения расчётов модель построена осесимметричной с размерами,указанными на рисунке 4.5.Объёмная модель соединения создана и разбита на конечные элементы впрограмме APMStructure 3D. Вид модели в разрезе показан на рисунке 4.6. Общеечисло объёмных конечных элементов в модели – 11280.Рисунок 4.5 – Схематический чертежмодели соединенияРисунок 4.6 – Модель соединения сконечно-элементной сеткой142Детали 1 и 2 соединены по общей кольцевой поверхности посредством оптического контакта площадью F = 452,4 мм2. Прочность оптического контакта нанормальный отрыв принята (по данным Заказчика) равной[] = 5 кг/см2, или [] = 0,5 МПа, а на сдвиг – [] = []/ 3 = 0,29 МПа.Максимальное усилие нормального отрыва (при равномерном распределении напряжений) оценивается величиной Pmax = []F = 226,2 Н  23 кГ.

Разрушающее усилие сдвига при этом составит Nmax = []F = 130 Н  13 кГ.Задача моделирования состоит в определении температурных напряжений вобласти оптического контакта конструкции (рисунок 4.7) для трех вариантов сочетания термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) пьезозеркалаи корпуса:1) корп.= 0;зерк.= 3,510-7 1/°C;2) корп.= 3,510-7 1/°C;зерк.= 0;3) корп.= 3,510-7 1/°C;зерк.= –3,510-7 1/°C.Температурное воздействие производится в диапазоне от –60 до +180°C.Начальная температура естественного состояния в расчётах принимается равной20°С и рассматриваются два тепловых нагружения: 1) охлаждение от 20°С до –60°С, что отвечает перепаду (температурной нагрузке) T = –80°С, и 2) нагревание от 20°С до +180°С, т.е.

температурная нагрузка T = +160°С.Свойства материалов, принятые в расчётах, приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1 – Свойства деталей соединения№НазваниедеталиМатериал12ПьезозеркалоКорпусСО-115МСО-115ММодульупругости Y,МПа7600076000Коэффициент Пуассона, 0,280,28, 1/oСзерк.корп.143Оценку величины нормальных термоупругих напряжений для одноосногослучая нагрева жёстко закреплённой детали можно получить по формуле: = –YT,которая для материала СО-115М с ТКЛР  = 3,510-7 °C–1 дает при нагревании наT = 160°C  = –4,26 МПа, знак «–» здесь означает напряжение сжатия.По результатам исследований модели «пьезозеркало–корпус» требуетсянайти распределения температурных напряжений в области оптического контактаи оценить допустимые значения ТКЛР по условиям механической прочности.

Вкаждом из двух интервалов теплового нагружения анализируются следующиекомпоненты термоупругих напряжений:xz (SXZ) – касательные (сдвиговые) напряжения, действующие в плоскости контакта вдоль радиальной координаты x;z (SZ) – нормальные растягивающие напряжения, действующие в направлениивертикальной оси z перпендикулярно площадке контакта;экв. (SVM) обобщенные напряжения (эквивалентные нормальным напряжениямодноосного растяжения), вычисляемые по энергетической теории начала текучести Хубера-Мизеса.В скобках указаны альтернативные обозначения напряжений, выводимыепрограммой APM Structure 3D.Схема расположения исследуемой области оптического контакта шириной 6мм в соединении «пьезозеркало – корпус» показана на рисунке 4.7.Рисунок 4.7 – Схема расположения исследуемой области контакта144Для каждого из трех вариантов сочетаний ТКЛР результаты представлены вследующем виде:– 6 карт трёх видов напряжений в сечении соединения – по 3 карты для каждоготемпературного интервала – «Охлаждение» (слева) и «Нагрев» (справа);– 4 графика зависимости касательных xz (SXZ) и нормальных z (SZ) напряжений от координаты x по длине линии контакта.Все карты напряжений показаны на деформированных моделях в сильноувеличенном масштабе, что даёт представление об изменении формы деталей приизменении температуры.

Над каждой картой расположена шкала из 16 цветов счисленными значениями соответствующих напряжений в МПа.На рисунке 4.8 показаны карты распределения напряжений для первого варианта сочетания ТКЛР корпуса и пьезозеркала. Здесь отчётливо видны зоныконцентрации напряжений, в которых эквивалентные напряжения достигают 3,7МПа при охлаждении и 7,4 МПа – при нагревании. Вне зон концентрации мембрана пьезозеркала испытывает напряжения экв.

около 1,6 МПа. Протяжённостьзон концентрации напряжений имеет величины порядка 1 мм в радиальномнаправлении.На рисунке 4.9 представлены карты напряжений по второму варианту сочетания ТКЛР. Все компоненты напряжений в этом случае несколько большепредыдущих. Эквивалентные напряжения достигают величины 3,95 МПа приохлаждении и 7,90 – нагревании.В третьем варианте сочетания ТКЛР (рисунок 4.10) все напряжения примерно вдвое больше предыдущих, как при охлаждении, так и при нагреве.Во всех трёх вариантах максимальные значения эквивалентных напряженийпревышают предельные, экв.> [] = 0,5 МПа, что указывает на потенциальнуювозможность расслаивания оптического контакта.145Полученные результаты по оценке максимальных напряжений сведены втаблицу 4.2.Таблица 4.2 – Максимальные напряжения в зоне оптического контакта (МПа)№вариантакорп.зерк.(1/С)(1/С)102Охлаждение:Нагревание:+20…–60 С+20…+180Сτxzzэкв.Δx(мм)τxzzэквΔx(мм)3,510-71,713,183,700,5..13,416,367,390,5..13,510-701,873,273,950,5..13,746,537,900,5..133,510-7–3,510-73,456,457,450,5..16,9012,8914,900,5..1400,710-70,3410,636 0,7390,3..10,682 1,2721,4790,3..1Здесь Δx– ориентировочный размер зоны концентрации напряжений.146ОХЛАЖДЕНИЕ на – 80 градусовНАГРЕВ на + 160 градусовКасательные напряжения вдоль границы контакта τxz (SXZ)ОХЛАЖДЕНИЕ на – 80 градусовНАГРЕВ на + 160 градусовНормальные вертикальные напряжения z (SZ)ОХЛАЖДЕНИЕ на – 80 градусовНАГРЕВ на + 160 градусовЭквивалентные напряжения экв (SVM)Рисунок 4.8 – Карты температурных напряжений в соединении пьезозеркала скорпусом при 1-м варианте сочетаний ТКЛР: корп.

= 0; зерк. = 3,510-7 1/С147ОХЛАЖДЕНИЕ на – 80 градусовНАГРЕВ на + 160 градусовКасательные напряжения вдоль границы контакта τxz (SXZ)ОХЛАЖДЕНИЕ на – 80 градусовНАГРЕВ на + 160 градусовНормальные вертикальные напряжения z (SZ)ОХЛАЖДЕНИЕ на – 80 градусовНАГРЕВ на + 160 градусовЭквивалентные напряжения экв (SVM)Рисунок 4.9 – Карты температурных напряжений в соединении пьезозеркала скорпусом при 2-м варианте сочетаний ТКЛР:корп. = 3,510-7 1/С; зерк.

Характеристики

Список файлов диссертации