基于ABAQUS/FE-SAFE的光学透镜多弹片支撑结构寿命分析

邱炯捷 韩森

摘  要： 多弹片支撑结构是光学透镜支撑领域新兴的一种支撑方式，但由于弹片的寿命不明导致了多弹片结构没有广泛的应用。为了得到光学透镜多弹片支撑结构的寿命，通过基于有限元软件Abaqus中的Fe-safe功能对多弹片结构在受透镜重力情况下进行寿命分析。本文旨在考虑到光学透镜多弹片支撑结构寿命方面的分析，为日后学者提供参考和借鉴。

关键词： Abaqus;有限元分析;支撑结构;光学透镜;寿命分析

中图分类号： TH703; TP391.77    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.018

本文著录格式：邱炯捷，韩森. 基于ABAQUS/FE-SAFE的光学透镜多弹片支撑结构寿命分析[J]. 软件，2020，41（08）：59-61

【Abstract】： The support structure of multiple shrapnel is a new support method in the field of optical lens support. However， due to the unknown life of shrapnel， the structure of multiple shrapnel has not been widely used. In order to obtain the life of the supporting structure of the optical lens， the Fe-safe function in ABAQUS is used to analyze the life of the structure under the gravity of the lens. The purpose of this paper is to take into account the analysis of the life of the supporting structure of optical lens with multiple shrapnel， and to provide reference for future scholars.

【Key words】： ABAQUS; Finite element analysis; Supporting structure

0  引言

随着航空航天科技的不断的高速发展，对于望远镜中的大口径光学镜片的面形精度则提出了更高的要求，这也同时意味着目前用于光学镜片面形检测主要技术手段的激光干涉仪也需要向着大口径、高精度、复杂面形的光学镜片测量领域发展。

由于受西方对华技术封锁影响，中国大口径干涉仪技术还存在许多瓶颈。因此需要设计制造出更高精度的，适宜于大口径光学元件面形精度检测的大口径干涉仪以满足中国航天航空领域的发展。

干涉检测是通过对标准参考面反射光和被测面反射光两者形成的干涉条纹处理，得出被测面相对于标准参考面的面形，其测量精度主要取决于标准参考面的精度。由于大口径光学镜片存在自重会影响其面形精度，所以大口径标准透镜的支撑设计成为重要因素之一。

Yolder提出的多弹片支撑结构则是光学透镜支撑领域新兴的一种支撑方式[1]。而由于寿命问题不确定问题一直没有得到广泛的应用。本文利用Abaqus自带的Fe-safe软件结合理论来计算出多弹片结构在透镜自重作用下的寿命，为以后的设计人员提供参考和借鉴。

1  有限元静力学分析

ABAQUS 是一套功能非常强大的工程模拟的有限元软件，它解决问题的范围可以从相对简单的线性分析到很多复杂的非线性问题。本文运用到了其静力学分析功能以及其第三方的Fe-safe功能。

由于ABAQUS的三维建模功能受限，所以先运用三维CAD软件Solidworks进行三维建模，如今三维建模运用到的领域和对口衔接的软件非常广，作为CAE软件的ABAQUS就是其中之一[6-10]。之后，保存为sat文件格式之后导入Abaqus软件进行静力学分析。

1.1  透镜及多弹片支撑结构三维模型设计

1.1.1  透镜尺寸

本文模拟多弹片支撑结构所用的透镜的为平凸透镜，具体尺寸为直径160 mm，透镜凸面的曲率半径为180 mm，透镜的中心厚度为30 mm，以及透镜的边缘的厚度为11.25 mm，如图1所示。

1.1.2  多弹片支撑结构设计

根据相关文献的多弹片支撑结构设计参考[2]=[5]，本课题设计的结构选择L形弹片设计，并选取弹片数量为30，厚度为1.5 mm，宽度为10 mm，长度位置处于通光口径边缘处的位置的多弹片支撐结构作为本次寿命分析的数据，如图2所示。

1.2  材料属性

材料选取方面，平凸透镜采用最常用的熔石英，为了获得更长的寿命，多弹片结构的材料选用50CrVA。由于弹片和透镜需要定位，所以设计了一个径向定位结构，如图3所示;材料选用HT200。各个部分具体参数如表1所示。

1.3  边界和载荷设置

进行有限元分析需要进行边界和载荷的设定，径向定位结构设置为完全固定，平凸透镜设置为水平方向的位置固定，而最重要的多弹片结构则设置为外圈固定即可。载荷由于材料属性设置中已经给出了材料密度，所以只要给出正确方向的重力加速度变可以完成透镜在有限元分析中的重力模拟。

1.4  网格划分

由于我们关心的是多弹片结构的寿命，所以对于划分多弹片的网格，密度要求要比其它两个结构要来的密，则在Abaqus缩小全局尺寸的数字为0.6，其它两个结构均为5;有限元单元的结构选择均为六面体单元进行分析， 能够有效避免出错。最终多弹片结构得到105077个单元，透镜为18520个单元，径向定位结构为8419个单元，如图4所示。