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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
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    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
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    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
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    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
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    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
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    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
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    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
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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

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