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室温硫化胶层建模在透镜结构分析中的应用
来源:  作者:  浏览次数:6336  发表时间:2010-06-01
 
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室温硫化胶层建模在透镜结构分析中的应用 

    韩 旭1,2,吴清文1,董得义1,陈立恒1,吴雪峰1,2 

    (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春,130033; 2.中国科学院研究生院,北京100039) 

    摘要:对透射镜结构中室温硫化(RTV)胶层建模方法进行了研究。给出了节点相连(忽略胶层材料)、各向同性材料(三 层体单元和一层体单元)和各向异性材料建立胶层材料模型的方法,分别采用3种方法对透射镜镜组建立了有限元模 型,并进行了仿真模态分析。搭建了模态试验装置,测试了它的模态参数。结果表明,各向异性胶层材料的建模方法得 到的一阶自由模态频率与试验测试的一阶自由模态频率误差只有0.3%,而各向同性材料的三层单元和一层单元建模 方法、节点相连建模方法的误差分别达到1.8%,1.2%和13.9%。分析与测试结果表明,胶层材料在有限元分析当中是 不可以被忽略的;综合分析显示,各向同性材料一层单元的建模方法减少了模型单元数量,且达到了工程应用的精度要求。 

    关 键 词:室温硫化胶;有限元分析;模态分析;模态试验 

    中图分类号:V475.3;TH703 文献标识码:A 

    1 引 言 

    近年来,室温硫化(Room Temperature Vu- canization,RTV)胶作为粘结剂被广泛地应用在 航天、航空、汽车制造中。在透射式光机结构系统 中,透镜与镜框的连接就是采用RTV胶接方式 来连接和定位的[1-3]。与其它连接方式相比,采用 胶接方式具有无应力装配、重量轻、寿命长、工艺 简单和成本低等优点[4],因此越来越多的工程师 选择胶接的连接方式来固定光学元件。同时,选 择合适的胶接材料[5]还可消除由于镜筒和光学元 件的热弹性变形引起的光学元件的面形变化。 

    由于胶层厚度薄且材料特性难以通过试验 完全获得,RTV胶层在有限元建模中常常被简化 处理甚至完全忽视。杨怿等人[6]认为胶合材料只 起到了固定作用,对主镜热光学特性影响不大,所 以在有限元模型中不予考虑;赵鹏[7]等人也认为 胶合材料只起到固定作用,对主镜的热特性影响 不大,在有限元模型中不予考虑;傅丹鹰[8]等人对 镜子和镜框间的胶层进行了热刚度等效处理。 由于胶接工艺在空间相机中应用越来越广 泛,RTV胶层作为结构中的一部分在有限元分析 中的作用逐渐被重视起来。李福[9]等人对胶固平 面镜进行了详细分析,建立了详细的胶层有限元 模型,讨论了胶层的形状对光机结构面形的影响 赵伶丰[10]等人对胶接头进行了分析研究,得到了 胶层应力大小及分布情况;Keith[11]对胶层进行 了无热化设计,指出RTV胶层设计必须采用高 的形状因子,他同时还总结了胶层厚度的计算公 式。 

    胶层的研究逐渐成为光机结构设计与分析的 一个热点问题,它的建模方法对于结构动力学以 及热光学分析计算精度的影响在透镜结构分析中 倍受关注。本文基于有限元法对RTV胶层的不 同建模方法进行了研究,并对透射镜镜组进行了 模态仿真分析和试验研究。 

    2 RTV胶层建模方法 

    一个典型的透射镜结构镜组由镜框、透射光 学镜片和镜头挡圈构成,如图1所示,在镜框与光 学镜片之间采用RTV胶胶接方式。

 

    2.1 节点相连 

    由于胶层的厚度仅为0.1~0.5 mm,与镜框 和光学元件尺寸比起来非常小,对胶层有限元模 型会产生非常多的细小单元,因此,RTV胶层在 有限元建模的过程中常常被忽略。节点相连法就 是建模时在胶层的位置直接用一个共用的节点来 传递镜框和光学元件之间的力和位移,如图2(a) 所示,这是结构分析工程师通常采用的方法。





    2.2 各向同性材料RTV胶层 

    2.2.1 各向同性材料RTV胶层(一层单元) 

    考虑到胶层与光学镜头和镜框的尺寸比起来 非常小,根据工程的实际应用,只用一层体单元来 描述胶层的真实应力应变关系,如图2(b)所示。 

    2.2.2 各向同性材料RTV胶层(三层单元) 

    各向同性材料假设在3个方向的胶层材料特 性是相同的,根据有限元理论使用体单元描述材 料特性至少用三层体单元来反应胶层真实的应力 应变关系,详细的各向同性材料胶层的有限元模 型如图2(c)所示。 

    2.3 各向异性材料RTV胶层 

    三维线性材料的应力应变关系如公式(1)所 示



式中,M为胶层材料的最大模量,k11,k12,k13,k33 分别是不同方向上的修正系数,对于不同材料的 b/t(b为胶层的宽度,t为胶层的厚度),可以根据 表1进行插值计算得到。



各向异性模型仅需要一层体单元就可以把 RTV胶层描述出来,有限元模型如图2(b)所示。 

    3 仿真计算 

    为了比较几种不同方法计算的优劣,在 MSC.Patran仿真环境中建模,利用MSC.Nas- tran进行计算,采用上述3种方法对透射镜镜组 结构(两个镜头)进行有限元计算,结构有限元剖 视图如图3所示。

 

    其中,加强筋(铸钛合金)采用一维梁单元,镜 筒(铸钛合金)采用二维四边形单元,镜框(铸钛合 金)、光学镜头(光学玻璃)、挡圈(铸钛合金)采用 三维六面体单元,RTV胶层采用三维六面体单 元,它的厚度采用平均厚度0.3 mm,并且假设它 均匀分布在光学镜头的圆周上,同时假设胶层是 小变形,是在线性范围内变化的。透射镜结构材 料参数如表2所示。

 

    分别利用上述3种不同建模方法计算透射镜 结构镜组的自由振动时的固有频率,去除刚体位 移后第一阶模态分别如图4、图5、图6、图7所 示。可以看到,忽略RTV胶层直接把镜框与光 学镜头连接起来后,其模态振型与建立RTV胶 层有很大的不同,忽略RTV胶层其模态振型仅 仅在开口位置有位移的变化,而建立胶层后,由于 胶层的模量非常低,会使其模态表现为整个镜筒 的位移,而不仅仅是开口处。表3是去除了6个 刚体模态后的一阶固有频率数值,从表3可以看



 

    5 结果讨论 

    (1)模型1与试验结果的误差达到13.9%, 这主要是由于建模的过程中光学镜头与镜框直接 相连,忽略RTV胶层从而导致镜头与镜框之间 产生了较大的刚度,因此,计算结果偏大,这种方 法在建模的过程中应尽量避免。 

    (2)模型2的两种建模方法直接用各向同性 材料来描述RTV胶层,没有考虑胶层在另外两 个方向的变形。 

    (3)模型3的建模方法充分考虑了胶层的各 向异性的特点,能够精确地模拟出胶层的边界效 应,这种方法的计算精度是最高的。 对比分析和试验结果表明,模型2和模型3 的计算精度都可以满足工程的要求,即小于 ±3%,但从建模的角度来说,模型2的一层体单 元的建模方法可以迅速地达到建模的目的,同时 它的材料参数的输入也比模型3方便。因此,模 型2的一层体单元方法更易被工程所采用。 RTV胶层的弹性模量由于胶层的粘弹特性 是很难具体的得到的,因此有必要对弹性模量E 进行优化计算,得到它在精度允许的取值范围。 针对模型2一层体单元的建模方法,对弹性模量 E的取值进行了优化,如图11所示。



从图14可以看出,弹性模量E在550~ 1 500 MPa取值都可以达到工程精度的要求,模 态频率对其取值不敏感。 

    6 结 论 

    本文分析了RTV胶层不同的建模方法,通 过对透射镜镜组的动力学仿真计算和试验验证, 得到各向异性胶层材料建模方法的一阶自由模态 频率与试验测试的一阶自由模态频率误差只有 0.3%,而与各向同性材料的三层单元和一层单元 建模方法、节点相连建模方法的误差分别达到 1.8%,1.2%和13.9%。综合来看,胶层在模型 中是不可以被忽略的,采用一层体单元各向同性 的建模方法不但可以减少单元数量,同时其精度 也可以满足工程需要。通过计算各向同性一层单 元建模RTV胶层的弹性模量在比较宽的范围内 取值,都可以得到满足精度要求的模态频率。 
 
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