【《激光点火器结构设计及有限元案例分析》6800字】

激光点火器结构设计及有限元案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u224901.1激光点火器零部件结构设计 1245851.1.1激光点火器结构设计 114631.1.2光纤连接器结构设计 235611.1.3聚焦透镜结构设计 3117281.1.4各零部件之间的装配 4307381.1.5激光点火器设计考虑 6248611.1.6激光点火器的工作原理 7157421.2激光点火器有限元分析 8217601.2.1ANSYS软件介绍 8284071.2.2激光点火器壳体有限元分析 1031501.2.3激光点火器壳体结构优化有限元分析 1232021.2.4光学窗口片有限元分析 141.1激光点火器零部件结构设计1.1.1激光点火器结构设计激光点火器作为激光点火系统中的输出端，其结构设计尤为重要，点火器中光学窗口的位置、点火器与光纤的连接和点火器中药剂的装填、压实、装药量等都是需要考虑的问题。本研究根据技术要求对激光点火器进行了结构设计，其中光纤与点火药剂采用光学窗口式结构耦合结构。激光点火器由点火器壳体、光学窗口片、点火药剂、二级装药组成。本研究设计的激光点火器结构示意图见图3-1所示，实物图见图3-2所示。（1-点火器壳体；2-光学窗口片；3-点火药剂；4-二级装药）图3-1激光点火器结构示意图Fig.3-1StructureDiagramoflaserigniter图3-2激光点火器实物图Fig.3-2PhysicalPictureoflaserigniter1.1.2光纤连接器结构设计点火器与光纤使用光纤连接器进行连接，结构示意图见图3-3所示，实物图见图3-4所示。（1-光纤连接端；2-光纤连接器壳体；3-点火器连接端；）图3-3光纤连接器结构示意图Fig.3-3StructureDiagramofopticalfiberconnector图3-4光纤连接器实物图Fig.3-4PhysicalDrawingofopticalfiberconnector1.1.3聚焦透镜结构设计由于根据激光在光纤中的传播方式，本研究设计了一种激光聚焦透镜，该透镜可以将光纤传递的激光进行聚焦，使激光能量更加集中，能量损耗更小，聚焦距离的考虑与点火器的设计同步考虑，确保激光到点火药剂表面的光斑最小。结构示意图见图3-5所示，实物图见图3-6所示。图3-5聚焦透镜结构示意图Fig.3-5Structureoffocusinglens图3-6聚焦透镜实物图Fig.3-6PhysicalImageoffocusinglens1.1.4各零部件之间的装配从实物图可以看出，激光点火器与光纤连接器使用螺纹连接，其连接结构示意图如图3-7所示，实物图如图3-8所示。聚焦透镜可以直接套在光纤上不掉落，再连接到光纤连接器的另一端，连接顺序如图3-9所示。激光器产生的激光通过光纤传递到聚焦透镜，通过聚焦透镜将激光聚集到点火药剂表面，发生相应的化学燃烧反应。（1-光纤连接器；2-激光点火器；3-光学窗口片；4-一级装药；5-二级装药；6-锡箔）图3-7点火器与连接器连接结构示意图Fig.3-7ConnectionStructureofigniterandconnector图3-8点火器与连接器连接实物图Fig.3-8PhysicalDiagramofconnectionbetweenigniterandconnector图3-9各零部件连接实物图Fig.3-9PhysicalConnectionofparts1.1.5激光点火器设计考虑本研究设计的激光点火器在满足技术尺寸的条件下，第一，激光点火器与光纤连接是通过光纤连接器连接的，光纤连接器采用铝合金材料，与光纤连接的一端设计成大端口，这样使得光纤能更容易的与连接器相连，也方便识别连接器的连接方向，与点火器相连的一端没有做大端口设计，一方面是因为点火器有特别的尺寸要求，另一方面是因为光纤是直接通向点火器方向的，不需要做大端口设计，连接器内部留有光纤和聚焦透镜的空间，并有一定的余量，保证光纤和聚焦透镜全部进入连接器与点火器相连，以保证聚焦透镜聚集的激光能正好照射到点火药剂表面；第二，点火器内部螺纹设计为M6×0.75，便于与后部的光纤连接器连接，点火器后部设计四个均匀分布的扳手槽，是技术要求里面提出的，目的是便于点火器与其他部位的连接；向输出端方向的下一个结构是光学窗口片，光学窗口片的设计目的一方面可以将点火药剂与光纤端分隔，从而提高了点火器的安全性，还能够保护光纤端面，使光纤可以重复使用，另一方面点火器在压药过程中没有光纤尾，简化了光端面加工及点火药剂的装配工艺，操作更加简单；第三，与光学窗口相连的部分为点火药剂，通过计算和检验校核，确定点火药剂的装药量，根据装药量和密度确定点火药剂的药柱高度，并给予一定的距离让点火药剂能够正常点燃二级装药，实现点火器功能；第四，点火器外部结构设计了M8×0.75mm的螺纹，这样设计方便点火器与需要点火的结构相连。1.1.6激光点火器的工作原理通过研究表明，激光点火过程属于换能机理，即激光器通电工作产生一定脉冲的激光，通过光纤激光到达点火药剂表面，当激光照射到点火药剂表面后，很少一部分光能被反射回光纤，另一部分入射到点火药剂表面，并在很薄的药层（一般约几微米）表面被吸收，点火药剂的光学性质影响其反射率和吸收率，点火药剂将吸收的光能转化为热能，使药剂表面温度瞬间升高，发生热分解反应，点火药剂发生相应的化学反应，出现不可逆的燃烧反应，并在很短时间内（一般约几微秒）将激光点火器中预先压装好的点火药剂点燃，完成点火功能。从激光与点火药剂的作用过程来看，激光点火过程可以分为三个阶段：第一，点火药剂吸收入射激光能量，光热转化作用将点火药剂表面加热；第二，点火药剂被加热的表面发生凝聚相化学反应，使温度继续升高；第三，点火药剂表面继续发生凝聚相反应，也发生气相化学反应，并且将凝聚相反应和气相化学反应向外扩散，这时就认为药剂点火已经发生了。

1.2激光点火器有限元分析激光器壳体及其中重要器件作为激光点火系统中重要的功能构件，其对激光的光束稳定透过及光斑大小、质量、系统的效率起到至关重要的作用。本节简单介绍了ANSYS软件并基于ANSYSWorkbench有限元分析软件对激光器壳体进行有限元分析，确定激光点火器壳体的受力状态，找到壳体薄弱环节，为后期激光点火器提高壳体强度刚度稳定性设计优化提供参考。1.2.1ANSYS软件介绍在科学研究和工程设计过程中，基于建模与仿真的数字化已成为科技发展的必然趋势，ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的一款具有结构分析、流体分析、磁场分析等功能的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内使用率增长最快的CAE软件，能够进行包括结构、流体、电磁场、热量以及声音等学科的研究，它能够与PROE、UG、Solidworks、AUTOCAD、NASTRAN等大多数CAD软件进行数据对接，该软件具有多种有限元分析功能，不仅能进行比较简单的静态模拟分析，还能够完成较复杂的动态模拟分析，在国防军工、航空航天、电子、机械制造、能源工业等领域有着广泛的应用。除此之外，ANSYS软件的硬件适应性极强，几乎可以在任何硬件平台上正常运行，利用ANSYS软件能够实现多种分析功能，在完成结构、模态分析的同时也能完成电磁耦合等分析和优化分析[54]。ANSYS软件经过近40年的发展及完善改进，功能强大、操作简单方便，已经成为国际上最知名、应用领域最广泛、使用人员最多的软件之一，目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。本次研究使用ANSYSWorkbench软件对设计的激光点火器壳体和作用过程中光学窗口片的受力过程进行有限元分析，整个分析过程主要由前处理建模、施加载荷、求解及后期处理操作与计算结果分析组成。（1）前处理建模模块前处理模块包括单元类型的选择、建模、网格划分、定义边界条件及添加材料属性。ANSYS有限元模型的建立主要有三种方法，一是在ANSYS中构建实体模型，这种方法适合建立如矩形、圆、多边形等较为简单的几何模型，不适于建立形状复杂的几何模型；二是导入由其他平台建立的CAD模型；在CAD、Solidworks、UG等二维三维软件中建立几何模型的结构，这种方法既可以建立较复杂的几何模型，也能保证建立模型的准确性；三是直接生成节点和单元，即直接建立节点，然后这些节点连接构建单元，这种方法不需要先构建几何模型，适用于几何形状非常简单的情况。本文采用Solidworks软件进行建模导入ANSYS软件中。ANSYS软件中网格的划分是最为重要的部分，网格的疏密程度很大程度上影响着模拟分析的准确性，常用的网格划分方法有映射网格划分、扫掠网格划分和自由网格划分。映射网格划分与扫掠网格划分的优点是精度很高，但划分网格过程较复杂，消耗时间长，自由网格划分能很好的避免不相同部分由于网格不匹配导致的错误，缺点是划分网格的准确性不高。本文采用两种方法相结合的方法，既能保证准确性要求，又可以节省时间。对于ANSYS软件中边界条件的定义，常见的边界条件主要类型有：自由度约束、点载荷的施加、表面分布载荷、体载荷、惯性载荷等，这些边界条件可以通过两个方式施加载荷，一是在有限元模型中的节点和单元上直接施加，施加的边界条件将直接针对节点或单元来操作，通过节点编号来施加或者通过选择某一位置上的节点或单元来施加，该种方法施加的载荷显示比较直观，并跟随有限元模型，但不便于操作，且无法传递到重新进行网格划分的模型上；另一种是对几何模型进行间接施加，ANSYS软件自动将施加的荷载等效到对应的节点或单元上，这种方法易于操作且与有限元模型相互独立，但它不能显示所有实体模型载荷。（2）求解模块在构建完整的计算模型后，就可以进行求解计算分析了，求解模块主要包括设置分析类型、定义载荷、设置载荷三步。可以按照需要选择分析类型，主要有静态分析、瞬态分析和模态分析等。（3）后处理模块后处理模块是有限元分析的重要步骤之一，后处理模块是在求解后，采用后处理器对运算结果进行检查和查看。建模的合理性、求解结果的准确性以及分析结果的规律性都需要通过后处理操作来显示和评判[55]，让我们搞清楚施加载荷是如何影响分析结构的。后处理的主要功能是“图文并茂”，既可以将分析结果采用等值线的方式表示出来，用以观察物体受到载荷作用后的形变状态，又可以得到应力应变分布云图、温度分布云图和热流矢量图，还可以对分析结果的偏差进行估计以及各种各样的功能，为设计的优化提供重要的数字依据。1.2.2激光点火器壳体有限元分析激光点火器壳体作为激光点火系统中的重要组成部分，国内外学者对其光路设计优化领域研究较多，但对壳体结构的设计及优化研究相对较少，本论文以设计的点火器壳体为研究对象，使用ANSYSWorkbench软件对激光点火器壳体进行有限元分析，确定壳体薄弱环节，并根据分析结果对壳体进行结构优化设计，提高壳体强度刚度稳定性，保证壳体的安全可靠性。采用solidworks软件对激光点火器壳体进行建模，并导入ANSYSWorkbench软件中，模型整体采用四面体网格，设置Facesizing中ElementSize为0.15mm，生成网格，结果显示结点数量为269115，单元数量为158947，平均网格质量达到0.7421，满足模拟要求。网格及其质量分布特征表如图3-10、图3-11所示。图3-10模型网格分布Fig.3-10ModelGriddistribution图3-11网格质量分布特征表Fig.3-11GridQualitydistributioncharacteristics在有限元分析过程中定义边界条件主要包括载荷和约束边界，将点火器壳体底部设定为固定边界条件，对壳体内部施加载荷为10MPa的惯性载荷，以保证壳体应设余容、求解质量和计算效率，如图3-12所示。图3-12点火器壳体边界条件及载荷设置Fig.3-12BoundaryConditionsandloadsettingofignitershell本研究所用点火器壳体材料选用304不锈钢，其物理参数如表3-1所示，：表3-1304不锈钢物理参数表Tab.3-1PhysicalParametersof304stainlesssteel材料密度g/cm3泊松比杨氏模量E/MPa弹性模量KN/mm2抗拉强度σb/MPa抗压强度σ0.2/MPa304不锈钢7.930.3194020193515205输入上表所示参数，并对模拟过程进行计算，计算结果如图3-13所示，从图中不难发现，在给定燃气压力作用下，点火器壳体所受最大应力为111.79MPa,通过应力云图显示，应力主要集中在上部分收口部位与靠近底座部分，主要原因是这两个部位壁厚较薄，分别只有0.3mm和0.36mm。但总体来说，点火器壳体所受最大压力小于其材料的抗压强度，点火器壳体安全，满足使用要求。图3-13点火器壳体应力情况Fig.3-13Stressofignitershell同时得到点火器壳体的最大形变云图，如图3-14，从结果中可以看出，收口部位的形变最大，最大形变量为0.00171mm，最薄部位形变量与其厚度之比为0.0057，这个比值很小，可以忽略不计，因此变形很小，点火器壳体安全，满足使用要求。图3-14点火器壳体应变情况Fig.3-14Strainofignitershell1.2.3激光点火器壳体结构优化有限元分析优化设计是一种寻求确定最优设计方案的技术。设计方案的任何方面都可以优化，所谓“最优设计”指的是在满足产品设计功能要求的前提下，通过对产品尺寸、形状、材料特性等参数的改变，使设计的产品成本所需支出最小的过程。在工作状态下，激光点火器所受到的管称压力为10MPa，根据对点火器壳体进行静态模拟有限元分析可知，激光点火器受到的最大等效应力为111.79MPa，激光点火器所受到的最大变形量为0.00171mm。激光点火器壳体的薄弱部位在点火器的输出端和靠近底部的位置，这两个部位有待优化强化。在满足技术指标的前提下，可通过适当增加其厚度，对激光点火器壳体进行结构优化设计，并对优化结构进行有限元分析，优化后结果如图3-15、图3-16所示。图3-15优化后点火器壳体应力情况Fig.3-15Stressofignitershellafteroptimization图3-16优化后点火器壳体应变情况Fig.3-16Strainofignitershellafteroptimization通过对结构优化后的点火器壳体进行有限元分析，点火器输出端所受最大应力由111.79MPa减小到30.805MPa，减小72.9%，最大应变由1.7μm减小到0.4μm，减小76.5%；靠近底部位置所受最大应力由75.956MPa减小到69.312MPa，减小8.7%，最大应变由0.95μm减小到0.61μm，减小35.8%。优化后壳体结构刚度大幅提升。1.2.4光学窗口片有限元分析本研究采用光学窗口式点火结构，光学窗口式结构是预先将一个透光性好的、具有较高强度的窗口材料封装进激光点火器中，点火器的尾纤通过连接器与光纤连接。光学窗口片与点火药剂直接接触，为避免光学窗口片后部光纤的安全性与重复使用性，应对窗口片的材料进行仿真比较，选择最佳的光学窗口片以满足本激光点火器的使用要求。激光点火器中常用的光学窗口片有蓝宝石、石英玻璃、K9玻璃、云母片和赛璐珞片，其透光性都比较好，功率耗损也相对较低；云母片脆性较大，容易被压力挤碎造成瞎火现象；赛璐珞片高热极易燃烧，久储会逐渐发热，若积热不散会引起自燃，因此本研究拟选用蓝宝石、石英玻璃、K9玻璃作为光学窗口材料，通过模拟仿真与试验理论相结合的方式寻找最佳的光学窗口材料。三种光学窗口材料的物理参数表3-2如表所示：表3-2三种光学窗口的物理参数表Tab.3-2PhysicalParametersofthreeopticalwindows材料名称密度(g/cm3)杨氏模量(GPa)泊松比抗拉强度(MPa)抗压强度(MPa)透光率K9玻璃2.51880.222869085%以上石英玻璃2.2720.1748110085%以上蓝宝石1.984400.28400200085%~88%从上表可以看出蓝宝石材料的抗拉、抗压强度都较其他两种高，三种玻璃材料的透光率大致相似，大致可以确定蓝宝石这种玻璃材料性能最好，使用ANSYS软件对三种光学窗口片材料进行有限元分析，确定最佳光学窗口片材料及其最佳厚度。光学窗口片的失效方式通常为剪切或者挤压破坏，本激光器中光学窗口片会受到收口挤压或点火药剂燃烧产生气体对其挤压，对其进行理论计算校核时利用了一种等效模型，如图3-17所示，采用ANSYS中StaticStructual结构静力学模块对所选三种光窗施加载荷进行仿真，采用六面体网格对光窗和壳体进行网络划分，网格大小为0.08mm×0.08mm×0.08mm，网格单元平均质量达到0.94，在光窗表面施加40MPa的压力，设置壳体下表面为固定约束条件，对整体结构施加重力载荷，分别设置光学窗口片的厚度为0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm，求解类型为应力求解(equivalentstress)和应变求解(totaldeformation)，得到相应的仿真结果如下所示：图3-17分析结构简图Fig.3-17AnalysisStructurediagram（1）K9玻璃仿真结果如图3-18、图3-19、图3-20、图3-21、图3-22所示。图3-18K9玻璃0.8mm应力应变情况Fig.3-180.8mmStressandstrainofK9glass图3-19K9玻璃1.0mm应力应变情况.Fig.3-191.0mmStressandstrainofK9glass图3-20K9玻璃1.2mm应力应变情况Fig.3-201.2mmStressandstrainofK9glass图3-21K9玻璃1.4mm应力应变情况Fig.3-211.4mmStressandstrainofK9glass图3-22K9玻璃1.6mm应力应变情况Fig.3-221.6mmStressandstrainofK9glass综合以上仿真结果，得到K9玻璃的应力应变情况如表3-3所示：表3-3K9玻璃应力应变仿真结果Tab.3-3SimulationResultsofstressandstrainofK9glass光窗厚度（mm）最大应力（MPa）最大应变（MPa）0.8232.590.00401.0205.750.00311.2186.060.00261.4168.750.00221.6154.900.0020（2）石英玻璃片仿真结果如图3-23、图3-24、图3-25、图3-26、图3-27所示：图3-23石英玻璃片0.8mm应力应变情况Fig.3-230.8mmStressandstrainofquartzglasssheet图3-24石英玻璃片1.0mm应力应变情况Fig.3-241.0mmStressandstrainofquartzglasssheet图3-25石英玻璃片1.2mm应力应变情况Fig.3-251.2mmStressandstrainofquartzglasssheet图3-26石英玻璃片1.4mm应力应变情况Fig.3-261.4mmStressandstrainofquartzglasssheet图3-27石英玻璃片1.6mm应力应变情况Fig.3-271.6mmStressandstrainofquartzglasssheet综合以上仿真结果，得到石英玻璃片的应力应变情况如表3-4：表3-4石英玻璃片应力应变仿真结果Tab.3-4SimulationResultsofstressandstrainofquartzglasssheet光窗厚度（mm）最大应力（MPa）最大应变（MPa）0.8251.040.00501.0221.110.00391.2199.750.00321.4180.620.00281.6165.400.0025（3）蓝宝石玻璃片仿真结果如图3-28、图3-29、图3-30、图3-31、图3-32所示。图3-28蓝宝石玻璃片0.8mm应力应变情况Fig.3-280.8mmStressandstrainofsap