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PAGE30哈爾濱學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文某激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u18328某激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例概述 1156961.1激光點(diǎn)火器零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1207471.1.1激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 121471.1.2光纖連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2223231.1.3聚焦透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3263491.1.4各零部件之間的裝配 4294841.1.5激光點(diǎn)火器設(shè)計(jì)考慮 6195411.1.6激光點(diǎn)火器的工作原理 7303621.2激光點(diǎn)火器有限元分析 721051.2.1軟件介紹 7197141.2.2激光點(diǎn)火器殼體有限元分析 9207111.2.3激光點(diǎn)火器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化 12207191.2.4光學(xué)窗口片有限元分析 131.1激光點(diǎn)火器零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1.1激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)激光點(diǎn)火器作為激光點(diǎn)火系統(tǒng)中的輸出端,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要,點(diǎn)火器中光學(xué)窗口的位置、點(diǎn)火器與光纖的連接和點(diǎn)火器中藥劑的裝填、壓實(shí)、裝藥量等都是需要考慮的問題。本研究根據(jù)技術(shù)要求對激光點(diǎn)火器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中光纖與點(diǎn)火藥劑采用光學(xué)窗口式結(jié)構(gòu)耦合結(jié)構(gòu)。激光點(diǎn)火器由點(diǎn)火器殼體、光學(xué)窗口片、點(diǎn)火藥劑、二級裝藥組成。本研究設(shè)計(jì)的激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖見圖3-1所示,實(shí)物圖見圖3-2所示。(1-點(diǎn)火器殼體;2-光學(xué)窗口片;3-點(diǎn)火藥劑;4-二級裝藥)圖3-1激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3-1StructureDiagramoflaserigniter圖3-2激光點(diǎn)火器實(shí)物圖Fig.3-2PhysicalPictureoflaserigniter1.1.2光纖連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)點(diǎn)火器與光纖使用光纖連接器進(jìn)行連接,結(jié)構(gòu)示意圖見圖3-3所示,實(shí)物圖見圖3-4所示。(1-光纖連接端;2-光纖連接器殼體;3-點(diǎn)火器連接端;)圖3-3光纖連接器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3-3StructureDiagramofopticalfiberconnector圖3-4光纖連接器實(shí)物圖Fig.3-4PhysicalDrawingofopticalfiberconnector1.1.3聚焦透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于根據(jù)激光在光纖中的傳播方式,本研究設(shè)計(jì)了一種激光聚焦透鏡,該透鏡可以將光纖傳遞的激光進(jìn)行聚焦,使激光能量更加集中,能量損耗更小,聚焦距離的考慮與點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)同步考慮,確保激光到點(diǎn)火藥劑表面的光斑最小。結(jié)構(gòu)示意圖見圖3-5所示,實(shí)物圖見圖3-6所示。圖3-5聚焦透鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3-5Structureoffocusinglens圖3-6聚焦透鏡實(shí)物圖Fig.3-6PhysicalImageoffocusinglens1.1.4各零部件之間的裝配從實(shí)物圖可以看出,激光點(diǎn)火器與光纖連接器使用螺紋連接,其連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-7所示,實(shí)物圖如圖3-8所示。聚焦透鏡可以直接套在光纖上不掉落,再連接到光纖連接器的另一端,連接順序如圖3-9所示。激光器產(chǎn)生的激光通過光纖傳遞到聚焦透鏡,通過聚焦透鏡將激光聚集到點(diǎn)火藥劑表面,發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)燃燒反應(yīng)。(1-光纖連接器;2-激光點(diǎn)火器;3-光學(xué)窗口片;4-一級裝藥;5-二級裝藥;6-錫箔)圖3-7點(diǎn)火器與連接器連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3-7ConnectionStructureofigniterandconnector圖3-8點(diǎn)火器與連接器連接實(shí)物圖Fig.3-8PhysicalDiagramofconnectionbetweenigniterandconnector圖3-9各零部件連接實(shí)物圖Fig.3-9PhysicalConnectionofparts1.1.5激光點(diǎn)火器設(shè)計(jì)考慮本研究設(shè)計(jì)的激光點(diǎn)火器在滿足技術(shù)尺寸的條件下,第一,激光點(diǎn)火器與光纖連接是通過光纖連接器連接的,光纖連接器采用鋁合金材料,與光纖連接的一端設(shè)計(jì)成大端口,這樣使得光纖能更容易的與連接器相連,也方便識別連接器的連接方向,與點(diǎn)火器相連的一端沒有做大端口設(shè)計(jì),一方面是因?yàn)辄c(diǎn)火器有特別的尺寸要求,另一方面是因?yàn)楣饫w是直接通向點(diǎn)火器方向的,不需要做大端口設(shè)計(jì),連接器內(nèi)部留有光纖和聚焦透鏡的空間,并有一定的余量,保證光纖和聚焦透鏡全部進(jìn)入連接器與點(diǎn)火器相連,以保證聚焦透鏡聚集的激光能正好照射到點(diǎn)火藥劑表面;第二,點(diǎn)火器內(nèi)部螺紋設(shè)計(jì)為M6×0.75,便于與后部的光纖連接器連接,點(diǎn)火器后部設(shè)計(jì)四個均勻分布的扳手槽,是技術(shù)要求里面提出的,目的是便于點(diǎn)火器與其他部位的連接;向輸出端方向的下一個結(jié)構(gòu)是光學(xué)窗口片,光學(xué)窗口片的設(shè)計(jì)目的一方面可以將點(diǎn)火藥劑與光纖端分隔,從而提高了點(diǎn)火器的安全性,還能夠保護(hù)光纖端面,使光纖可以重復(fù)使用,另一方面點(diǎn)火器在壓藥過程中沒有光纖尾,簡化了光端面加工及點(diǎn)火藥劑的裝配工藝,操作更加簡單;第三,與光學(xué)窗口相連的部分為點(diǎn)火藥劑,通過計(jì)算和檢驗(yàn)校核,確定點(diǎn)火藥劑的裝藥量,根據(jù)裝藥量和密度確定點(diǎn)火藥劑的藥柱高度,并給予一定的距離讓點(diǎn)火藥劑能夠正常點(diǎn)燃二級裝藥,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火器功能;第四,點(diǎn)火器外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了M8×0.75mm的螺紋,這樣設(shè)計(jì)方便點(diǎn)火器與需要點(diǎn)火的結(jié)構(gòu)相連。1.1.6激光點(diǎn)火器的工作原理通過研究表明,激光點(diǎn)火過程屬于換能機(jī)理,即激光器通電工作產(chǎn)生一定脈沖的激光,通過光纖激光到達(dá)點(diǎn)火藥劑表面,一小部分光能被反射,另一部分光能被藥層吸收,點(diǎn)火藥劑的光學(xué)性質(zhì)影響其反射率和吸收率,藥層吸收光能后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),并出現(xiàn)不可逆的燃燒反應(yīng),并在很短時間內(nèi)(一般約幾微秒)將激光點(diǎn)火器中預(yù)先壓裝好的點(diǎn)火藥劑點(diǎn)燃,完成點(diǎn)火功能。1.2激光點(diǎn)火器有限元分析激光器殼體及其中重要器件作為激光點(diǎn)火系統(tǒng)中重要的功能構(gòu)件,其對激光的光束穩(wěn)定透過及光斑大小、質(zhì)量、系統(tǒng)的效率起到至關(guān)重要的作用。本節(jié)使用ANSYS軟件對激光點(diǎn)火器殼體和激光點(diǎn)火器中使用的光學(xué)窗口片進(jìn)行有限元分析,確定激光點(diǎn)火器殼體的受力狀態(tài),找到殼體薄弱環(huán)節(jié),為后期激光點(diǎn)火器提高殼體強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。1.2.1軟件介紹ANSYS軟件因?yàn)槠涔δ鼙姸?、功能?qiáng)大、與其他譬如PROE、CAD、UG等基礎(chǔ)軟件互相兼容而被廣大研究所、高校、科研人員喜愛,該軟件能夠模擬分析靜態(tài)、動態(tài)、流態(tài)、電磁場、熱量等多種學(xué)科,給研究帶來了便利,給實(shí)驗(yàn)節(jié)省了成本,將各種各樣復(fù)雜的動作過程交給電腦處理,解放了人類,在國防軍工、航空航天、電子、機(jī)械制造、能源工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前,中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件[47]。本次研究使用ANSYSWorkbench軟件對設(shè)計(jì)的激光點(diǎn)火器殼體和作用過程中光學(xué)窗口片的受力過程進(jìn)行有限元分析,整個分析過程主要由前處理建模、施加載荷、求解及后期處理操作與計(jì)算結(jié)果分析組成。(1)前處理建模模塊前處理模塊包括建模、劃分網(wǎng)格、定義材料屬性和設(shè)置載荷,建模可以通過ANSYS軟件直接建模,也可以導(dǎo)入CAD、Solidworks等軟件中的幾何模型,本文采用Solidworks軟件進(jìn)行建模導(dǎo)入ANSYS軟件中。本文采用映射網(wǎng)格劃分和自由網(wǎng)格劃分兩種方法相結(jié)合的方法對模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分,既能保證準(zhǔn)確性要求,又可以節(jié)省時間,將以上兩部分做完后,要對所用材料的屬性進(jìn)行定義,不同材料屬性模擬分析結(jié)果也不相同,并且對結(jié)構(gòu)中的受力面進(jìn)行載荷設(shè)置。通過節(jié)點(diǎn)編號來施加或者通過選擇某一位置上的節(jié)點(diǎn)或單元來施加,該種方法施加的載荷顯示比較直觀,并跟隨有限元模型,但不便于操作,且無法傳遞到重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分的模型上;另一種是對幾何模型進(jìn)行間接施加,ANSYS軟件自動將施加的荷載等效到對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)或單元上,這種方法易于操作且與有限元模型相互獨(dú)立,但它不能顯示所有實(shí)體模型載荷。(2)求解模塊在構(gòu)建完整的計(jì)算模型后,就可以進(jìn)行求解計(jì)算分析了。(3)后處理模塊主要功能是“圖文并茂”,既可以將分析結(jié)果表示出來,用來分析物體的形變,又可以得到應(yīng)力應(yīng)變分布云圖、溫度分布云圖和熱流矢量圖,還可以對分析結(jié)果的偏差進(jìn)行估計(jì)以及各種各樣的功能,為設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供重要的數(shù)字依據(jù)。建模的合理性、求解結(jié)果的準(zhǔn)確性以及分析結(jié)果的規(guī)律性都需要通過后處理操作來顯示和評判[48],讓我們搞清楚施加載荷是如何影響分析結(jié)構(gòu)的。1.2.2激光點(diǎn)火器殼體有限元分析激光點(diǎn)火器殼體作為激光點(diǎn)火系統(tǒng)中的重要組成部分,國內(nèi)外學(xué)者對其光路設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域研究較多,但對殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究相對較少,本論文以設(shè)計(jì)的激光點(diǎn)火器殼體為研究對象,通過使用ANSYS軟件對其進(jìn)行有限元分析,可以找到點(diǎn)火器殼體的薄弱部位,根據(jù)仿真結(jié)果對點(diǎn)火器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,保證殼體的安全可靠性。采用solidworks軟件對激光點(diǎn)火器殼體進(jìn)行建模,并導(dǎo)入ANSYSWorkbench軟件中,模型整體采用四面體網(wǎng)格,設(shè)置Facesizing中ElementSize為0.15mm,生成網(wǎng)格,結(jié)果顯示結(jié)點(diǎn)數(shù)量為269115,單元數(shù)量為158947,平均網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.7421,滿足模擬要求。網(wǎng)格及其質(zhì)量分布特征表如圖3-10、圖3-11所示。圖3-10模型網(wǎng)格分布Fig.3-10ModelGriddistribution圖3-11網(wǎng)格質(zhì)量分布特征表Fig.3-11GridQualitydistributioncharacteristics在有限元分析過程中定義邊界條件主要包括載荷和約束邊界,將點(diǎn)火器殼體底部設(shè)定為固定邊界條件,對殼體內(nèi)部施加載荷為10MPa的慣性載荷,以保證殼體應(yīng)設(shè)余容、求解質(zhì)量和計(jì)算效率,如圖3-12所示。圖3-12點(diǎn)火器殼體邊界條件及載荷設(shè)置Fig.3-12BoundaryConditionsandloadsettingofignitershell本研究所用點(diǎn)火器殼體材料選用304不銹鋼,其物理參數(shù)如表3-1所示,:表3-1304不銹鋼物理參數(shù)表Tab.3-1PhysicalParametersof304stainlesssteel材料密度g/cm3泊松比楊氏模量E/MPa彈性模量KN/mm2抗拉強(qiáng)度σb/MPa抗壓強(qiáng)度σ0.2/MPa304不銹鋼7.930.3194020193515205輸入上表所示參數(shù),并對模擬過程進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖3-13所示,從圖中不難發(fā)現(xiàn),在給定燃?xì)鈮毫ψ饔孟?,點(diǎn)火器殼體所受最大應(yīng)力為111.79MPa,通過應(yīng)力云圖顯示,應(yīng)力主要集中在上部分收口部位與靠近底座部分,主要原因是這兩個部位壁厚較薄,分別只有0.3mm和0.36mm。但總體來說,點(diǎn)火器殼體所受最大壓力小于其材料的抗壓強(qiáng)度,點(diǎn)火器殼體安全,滿足使用要求。圖3-13點(diǎn)火器殼體應(yīng)力情況Fig.3-13Stressofignitershell同時得到點(diǎn)火器殼體的最大形變云圖,如圖3-14,從結(jié)果中可以看出,收口部位的形變最大,最大形變量為0.00171mm,最薄部位形變量與其厚度之比為0.0057,這個比值很小,可以忽略不計(jì),因此變形很小,點(diǎn)火器殼體安全,滿足使用要求。圖3-14點(diǎn)火器殼體應(yīng)變情況Fig.3-14Strainofignitershell1.2.3激光點(diǎn)火器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在對點(diǎn)火器殼體進(jìn)行有限元分析后,找到其薄弱部位,針對薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化,有利于消除薄弱部位對火工品動作過程的影響,優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足火工品設(shè)計(jì)功能要求的前提下,通過對產(chǎn)品尺寸、形狀、材料特性等參數(shù)的改變,使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品成本所需支出最小的過程。在工作狀態(tài)下,激光點(diǎn)火器所受到的管稱壓力為10MPa,根據(jù)對點(diǎn)火器殼體進(jìn)行靜態(tài)模擬有限元分析可知,激光點(diǎn)火器受到的最大等效應(yīng)力為111.79MPa,激光點(diǎn)火器所受到的最大變形量為0.00171mm。激光點(diǎn)火器殼體的薄弱部位在點(diǎn)火器的輸出端和靠近底部的位置,這兩個部位有待優(yōu)化強(qiáng)化。在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下,可通過適當(dāng)增加其厚度,對激光點(diǎn)火器殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),并對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,優(yōu)化后結(jié)果如圖3-15、圖3-16所示。圖3-15優(yōu)化后點(diǎn)火器殼體應(yīng)力情況Fig.3-15Stressofignitershellafteroptimization圖3-16優(yōu)化后點(diǎn)火器殼體應(yīng)變情況Fig.3-16Strainofignitershellafteroptimization通過對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的點(diǎn)火器殼體進(jìn)行有限元分析,點(diǎn)火器輸出端所受最大應(yīng)力由111.79MPa減小到30.805MPa,減小72.9%,最大應(yīng)變由1.7μm減小到0.4μm,減小76.5%;靠近底部位置所受最大應(yīng)力由75.956MPa減小到69.312MPa,減小8.7%,最大應(yīng)變由0.95μm減小到0.61μm,減小35.8%。優(yōu)化后殼體結(jié)構(gòu)剛度大幅提升。1.2.4光學(xué)窗口片有限元分析本次設(shè)計(jì)采用光學(xué)窗口式結(jié)構(gòu),對選用的光學(xué)窗口進(jìn)行有限元分析有著至關(guān)重要的作用,通過對不同材料、不同厚度的光學(xué)窗口進(jìn)行有限元分析,可以初步確定光學(xué)窗口的材料及其厚度,并結(jié)合試驗(yàn)最終確定相關(guān)參數(shù)。光學(xué)窗口片與點(diǎn)火藥劑直接接觸,為避免光學(xué)窗口片后部光纖的安全性與重復(fù)使用性,對窗口片的材料進(jìn)行仿真比較,選擇最佳的光學(xué)窗口片以滿足本激光點(diǎn)火器的使用要求。激光點(diǎn)火器中常用的光學(xué)窗口片有藍(lán)寶石、石英玻璃、K9玻璃、云母片和賽璐珞片,其透光性都比較好,功率耗損也相對較低;云母片脆性較大,容易被壓力擠碎造成瞎火現(xiàn)象;賽璐珞片高熱極易燃燒,久儲會逐漸發(fā)熱,若積熱不散會引起自燃,因此本研究擬選用藍(lán)寶石、石英玻璃、K9玻璃作為光學(xué)窗口材料,通過模擬仿真與試驗(yàn)理論相結(jié)合的方式尋找最佳的光學(xué)窗口材料。三種光學(xué)窗口材料的物理參數(shù)表3-2如表所示:表3-2三種光學(xué)窗口的物理參數(shù)表Tab.3-2PhysicalParametersofthreeopticalwindows材料名稱密度(g/cm3)楊氏模量(GPa)泊松比抗拉強(qiáng)度(MPa)抗壓強(qiáng)度(MPa)透光率K9玻璃2.51880.222869085%以上石英玻璃2.2720.1748110085%以上藍(lán)寶石1.984400.28400200085%~88%從上表可以看出藍(lán)寶石材料的抗拉、抗壓強(qiáng)度都較其他兩種高,三種玻璃材料的透光率大致相似,大致可以確定藍(lán)寶石這種玻璃材料性能最好,通過ANSYS軟件有限元分析結(jié)果,確定最佳光學(xué)窗口片材料及其厚度。光學(xué)窗口片的失效方式通常為剪切或者擠壓破壞,本激光器中光學(xué)窗口片會受到收口擠壓或點(diǎn)火藥劑燃燒產(chǎn)生氣體對其擠壓,對其進(jìn)行理論計(jì)算校核時利用了一種等效模型,如圖3-17所示,采用ANSYS中StaticStructual結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊對所選三種光窗片進(jìn)行仿真,網(wǎng)絡(luò)劃分采用六面體,網(wǎng)格大小為0.08mm×0.08mm×0.08mm,網(wǎng)格單元平均質(zhì)量達(dá)到0.94,在光窗表面施加40MPa的壓力,設(shè)置殼體下表面為固定約束條件,對整體結(jié)構(gòu)施加重力載荷,分別設(shè)置光學(xué)窗口片的厚度為0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm,得到相應(yīng)的仿真結(jié)果如下所示:圖3-17分析結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3-17AnalysisStructurediagram(1)K9玻璃仿真結(jié)果如圖3-18、圖3-19、圖3-20、圖3-21、圖3-22所示。圖3-18K9玻璃0.8mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-180.8mmStressandstrainofK9glass圖3-19K9玻璃1.0mm應(yīng)力應(yīng)變情況.Fig.3-191.0mmStressandstrainofK9glass圖3-20K9玻璃1.2mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-201.2mmStressandstrainofK9glass圖3-21K9玻璃1.4mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-211.4mmStressandstrainofK9glass圖3-22K9玻璃1.6mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-221.6mmStressandstrainofK9glass綜合以上仿真結(jié)果,得到K9玻璃的應(yīng)力應(yīng)變情況如表3-3所示:表3-3K9玻璃應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果Tab.3-3SimulationResultsofstressandstrainofK9glass光窗厚度(mm)最大應(yīng)力(MPa)最大應(yīng)變(MPa)0.8232.590.00401.0205.750.00311.2186.060.00261.4168.750.00221.6154.900.0020(2)石英玻璃片仿真結(jié)果如圖3-23、圖3-24、圖3-25、圖3-26、圖3-27所示:圖3-23石英玻璃片0.8mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-230.8mmStressandstrainofquartzglasssheet圖3-24石英玻璃片1.0mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-241.0mmStressandstrainofquartzglasssheet圖3-25石英玻璃片1.2mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-251.2mmStressandstrainofquartzglasssheet圖3-26石英玻璃片1.4mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-261.4mmStressandstrainofquartzglasssheet圖3-27石英玻璃片1.6mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-271.6mmStressandstrainofquartzglasssheet綜合以上仿真結(jié)果,得到石英玻璃片的應(yīng)力應(yīng)變情況如表3-4:表3-4石英玻璃片應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果Tab.3-4SimulationResultsofstressandstrainofquartzglasssheet光窗厚度(mm)最大應(yīng)力(MPa)最大應(yīng)變(MPa)0.8251.040.00501.0221.110.00391.2199.750.00321.4180.620.00281.6165.400.0025(3)藍(lán)寶石玻璃片仿真結(jié)果如圖3-28、圖3-29、圖3-30、圖3-31、圖3-32所示。圖3-28藍(lán)寶石玻璃片0.8mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-280.8mmStressandstrainofsapphireglasssheet圖3-29藍(lán)寶石玻璃片1.0mm應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.3-291.0mmStressandstrainofsapphireglasssheet圖3-30

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