光学仪器结构动态分析设计方法探讨

　　1　引　　言

　　以往,光仪结构的设计方法多半是凭经验、靠类比与仿制,至多针对个别构件运用静力学与运动学分析进行计算,以寻求保证仪器刚度及强度等技术要求 的设计参数。今天,随着科学技术迅速的发展,市场竞争的加剧,对光仪产品的要求越来越高,这不仅仅体现在多功能、高精度要求上,而且要求产品具有对各种恶 劣应用环境的适应性,为此仪器必须设计成具有:

　　·高精度,光学元件的尺寸与形状精度达纳米级;

　　·高刚度,在外界机械扰动作用下仪器不抖动,确保视轴稳定;

　　·高强度,仪器在运载过程中构件不破坏,不产生残余变形;

　　·重量轻,体积小,低成本。

　　等品质。面对实际存在的复杂载荷工况,传统的设计方法已远远不能解决问题,诸如,仪器受到有环境的冲击、过载及随机机械干扰等载荷工况时,仅靠 静态分析设计是不行的。为此,要使仪器设计成满足上述要求,就必须站在系统的高度,从动态的观点出发,借助CAD/CAE手段进行动态分析设计。

　　2　动态分析设计目标与任务

　　光学仪器动态分析设计的目标是通过对外界环境扰动引起的系统响应求解,确定在规定输出响应下光仪结构的最佳设计参数。我们所关心的系统响应主要 是指将光学仪器整机作为研究对象,探求其关键光学元器件相对位移或光学元件面形变化、应力或应变能分布以及输出功率谱密度响应等;所要确定的设计参数主要 是指光学仪器结构中那些影响整机刚度、质量及阻尼分布的结构布局、尺寸及材料属性等参数。

　　动态分析的任务主要有如下几项:

　　·建立光学仪器动态分析模型,确定环境扰动形式及函数表达,响应的限定指标;

　　·模态分析:求解光学仪器自然频率Fn、振型φ,分析薄弱环节;

　　·响应求解:求光学仪器在环境扰动下(冲击、过载、低频振动及随机振动等视具体应用环境工况定)应力、位移及功率谱密度响应;

　　·灵敏度分析,探求影响光学仪器输出响应不满足技术指标或要进一步改善性能的关键环节;

　　·优化设计:根据产品要求确定目标函数、设计变量及状态变量,进行优化设计迭代。

　　3　动态分析设计依据

　　动态分析设计的过程实质是探求在外界环境扰动下,通过响应求解,找到满足光学仪器机械性能指标的系统动态特征,亦即传递函数(或称之为复频响函数)的过程。如式(1)[1]所示,

　 (1)

　　式中Sxx(ω)为扰动谱密度函数;

　　Syy(ω)为系统响应谱密度函数;