留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于ANSYS Workbench的光学探测系统热-结构仿真分析

李欢 胡亮 孟祥福 李琪 王爽

李欢, 胡亮, 孟祥福, 李琪, 王爽. 基于ANSYS Workbench的光学探测系统热-结构仿真分析[J]. 红外技术, 2020, 42(12): 1141-1150.
引用本文: 李欢, 胡亮, 孟祥福, 李琪, 王爽. 基于ANSYS Workbench的光学探测系统热-结构仿真分析[J]. 红外技术, 2020, 42(12): 1141-1150.
LI Huan, HU Liang, MENG Xiangfu, LI Qi, WANG Shuang. Simulation Analysis of Thermal-Structure of an Optical Detection System[J]. Infrared Technology , 2020, 42(12): 1141-1150.
Citation: LI Huan, HU Liang, MENG Xiangfu, LI Qi, WANG Shuang. Simulation Analysis of Thermal-Structure of an Optical Detection System[J]. Infrared Technology , 2020, 42(12): 1141-1150.

基于ANSYS Workbench的光学探测系统热-结构仿真分析

详细信息
    作者简介:

    李欢(1993-),男,河南商丘人,结构工程师,硕士研究生,研究方向:工程结构设计与有限元仿真。E-mail:lihuan977@163.com

  • 中图分类号: TN216

Simulation Analysis of Thermal-Structure of an Optical Detection System

  • 摘要: 热载荷是导致红外探测系统失效的主要原因之一,因此本文利用ANSYS Workbench软件对某红外成像光学探测组件进行不同温度载荷下的热-结构耦合分析。首先观察光学镜头与探测器之间后截距在不同温度载荷下的响应;然后利用光学软件ZEMAX得到后截距变化时理论上光学的成像质量;最后通过实验验证了理论计算模型,同时得到了不同温度载荷下光学探测系统的变形规律,发现探测器安装材料的热传导系数与热膨胀系数都会影响到探测系统的稳定性。本文的研究工作对红外成像光学探测系统的设计、优化以及可靠性方面具有重要的指导意义。
  • 图  1  光学探测组件结构模型

    Figure  1.  Structure model of the optical detection system

    图  2  光学探测组件有限元模型

    Figure  2.  Finite element model of the optical detection system

    图  3  常温下探测系统的温度场与位移场分布

    Figure  3.  Distribution of the temperature field and the displacement field of the detection module at normal temperature

    图  4  高温下探测系统的温度场与位移场分布

    Figure  4.  Distribution of the temperature field and the displacement field of the detection module at high temperature

    图  5  低温下探测系统的温度场与位移场分布

    Figure  5.  Distribution of the temperature field and the displacement field of the detection module at low temperature

    图  6  不同温度载荷下探测系统的传函值

    Figure  6.  MTF values of the detection module at different temperature loads

    图  7  探测器安装材料分别为铝合金、钛合金时探测系统图像梯度、传函值和温度载荷的关系

    Figure  7.  The detection module image gradient, MTF value evolution with the temperature load of the detect system when the installation material of detector are aluminium alloy and titanium alloy

    表  1  零件名称及其对应的材料

    Table  1.   Name of parts and the corresponding materials

    Name of parts Material
    Frame, lens base Titanium alloy
    Detector Kovar alloy
    Base of detector Aluminium alloy/Titanium alloy
    Bolt Stainless steel
    Lens Chalcogenide glass
    下载: 导出CSV

    表  2  材料的热力学系数

    Table  2.   Thermodynamics coefficient of materials

    Material Density/(kg/m3) Young’s
    modulus/Pa
    Poisson’s
    ratio
    Thermal conductivity
    coefficient/(W/mC)
    Thermal expansion
    coefficient/(C-1)
    Aluminium alloy 2770 7.1×1010 0.33 150.0 2.3×10-5
    Titanium alloy 4620 9.6×1010 0.36 21.9 9.4×10-6
    Stainless steel 7750 1.9×1011 0.31 15.1 1.7×10-5
    Kovar alloy 8170 1.6×1011 0.36 17.6 5.5×10-6
    Chalcogenide glass 4710 2.0×1010 0.28 0.2 6.6×10-6
    下载: 导出CSV

    表  3  制冷机热分析参数

    Table  3.   Thermal analysis parameters of the refrigerator

    Environment Convection coefficient /(W/m2·℃) Internal heat strength/(W/m3)
    High temperature
    (60℃)
    30.0 2.0×105
    Normal
    temperature (26℃)
    9.7 1.6×105
    Low temperature
    (-45℃)
    30.0 8.0×104
    下载: 导出CSV

    表  4  不同温度载荷下结构位移

    Table  4.   Displacement of the structure at different temperature load

    Temperature load Base material Displacement of
    lens end/mm
    Displacement of
    detector end /mm
    Change of the back intercept/mm
    (negative for increase)
    Normal temperature Aluminium alloy -0.0053 0.0125 -0.0178
    Titanium alloy -0.0041 0.0032 -0.0073
    High temperature Aluminium alloy -0.0173 0.0264 -0.0437
    Titanium alloy -0.0165 0.0046 -0.0211
    Low temperature Aluminium alloy 0.0295 -0.0402 0.0697
    Titanium alloy 0.0287 -0.0126 0.0413
    下载: 导出CSV

    表  5  不同温度载荷下铝合金座系统时实验图像

    Table  5.   The experimental images of the aluminium alloy mount system at different temperature loads

    Integrated time/ms The experimental images
    -45℃ 26℃ 60℃
    2
    4
    6
    下载: 导出CSV

    表  6  不同温度载荷下钛合金座时实验图像

    Table  6.   The experimental images of the titanium alloy mount system at different temperature loads

    Integrated time/ms The experimental images
    -45℃ 26℃ 60℃
    2
    4
    6
    下载: 导出CSV

    表  7  不同积分时间下图像梯度值

    Table  7.   The image gradient values of different integral time

    Temperature load Base material 2ms 4ms 6ms
    Normal temperature Aluminium alloy 255 504 978
    Titanium alloy 270 541 1084
    High temperature Aluminium alloy 143 241 472
    Titanium alloy 247 504 1037
    Low temperature Aluminium alloy 51 149 236
    Titanium alloy 126 202 340
    下载: 导出CSV
  • [1] 张义广, 杨军, 朱学平, 等.非制冷红外成像导引头[M].西安:西北工业大学出版社, 2009.

    ZHANG Yiguang, YANG Jun, ZHU Xueping, et al. Uncooled Infrared Seeker[M]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University Press, 2009.
    [2] 江乐果, 王一波, 焦彤, 等.吊舱平台微电机转子系统的分岔特性分析[J].飞控与探测, 2019, 2(4): 77-82. http://www.cqvip.com/QK/73078X/20194/7100053286.html

    JIANG Leguo, WANG Yibo, JIAO Tong, et al. Bifurcation characteristics analysis of micro-motor rotor system of optoelectronic pod platform[J]. Flight Control & Detection, 2019, 2(4): 77-82. http://www.cqvip.com/QK/73078X/20194/7100053286.html
    [3] 邓准, 吕琦, 那佳, 等.光学导引头探测器的装调技术研究[J].航天制造技术, 2014(1): 53-56. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/htgy201401014

    DENG Zhun, LV Qi, NA Jia, et al. Research on assembly and debugging technology of the detector of optical seeker[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2014(1): 53-56. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/htgy201401014
    [4] 姬文晨, 张宇, 李茂忠.透射式红外光学系统的光机热集成分析[J].红外技术, 2015, 37(8): 73-77. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/hwjs201508012

    JI Wenchen, ZHANG Yu, LI Maozhong. Integrated optomechanical -thermal analysis of refractive infrared optical system[J]. Infrared Technology, 2015, 37(8): 73-77. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/hwjs201508012
    [5] 王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社, 2003.

    WANG Xucheng. Finite Element Method[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2003.
    [6] 张昭, 蔡志勤.有限元方法与应用[M].大连:大连理工大学出版社, 2011.

    ZHANG Zhao, CAI Zhiqin. Finite Element Method and Its Application[M]. Dalian: Dalian University of Technology Press, 2011.
    [7] CHEN K K, LI F P, ZHAO Y S. FEA of thermal characteristic of motorized spindle based on ANSYS workbench[J]. Applied Mechanics & Materials, 2013, 437: 36-41. https://www.scientific.net/AMM.437.36
    [8] 顾建军, 孙逊, 蒋苏苏.基于ANSYS Workbench的行星滚柱丝杠动态特性分析[J].飞控与探测, 2019, 2(6): 82-88. http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/fkytc201906012

    GU Jianjun, SUN Xun, JIANG Susu, et al. Dynamic characteristics analysis of planetary roller screw based on ANSYS workbench[J]. Flight Control & Detection, 2019, 2(6): 82-88. http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/fkytc201906012
    [9] 周连军, 韩福忠, 白丕绩, 等.高温碲镉汞中波红外探测器的国内外进展[J].红外技术, 2017, 39(2): 116-124. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201702002

    ZHOU Lianjun, HAN Fuzhong, BAI Piji, et al. Review of HOT MW infrared detector using MCT technology[J]. Infrared Technology, 2017, 39(2): 116-124. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201702002
    [10] ZHANG W, YAO X, WU X Q, et al. Application of ANSYS in thermal analysis of pyroelectric thin film infrared detector[J]. Journal of Transcluction Technology, 2004, 17(1): 98-100. http://www.ir.xjtu.edu.cn/item/ir/7517
    [11] 王春红, 向阳.超光谱成像探测系统的线阵CCD平均调制传递函数[J].红外技术, 2009, 31(5): 249-251. doi:  10.3969/j.issn.1001-8891.2009.05.001

    WANG Chunhong, XIANG Yang. Research on average MTF of line-array CCD with contrast method[J]. Infrared Technology, 2009, 31(5): 249-251. doi:  10.3969/j.issn.1001-8891.2009.05.001
  • 加载中
图(7) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  476
  • HTML全文浏览量:  165
  • PDF下载量:  92
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-18
  • 修回日期:  2020-06-02
  • 刊出日期:  2020-12-26

目录

    /

    返回文章
    返回