衍射光栅机械刻划成槽过程中的应力拓扑分析

衍射光栅机械刻划属于超精密刻划,其刻划过程是利用金刚石刻刀对铝膜材料进行的多线顺序刻划。由于光栅槽面精度要求较高,而光栅槽面精度与其表面应力分布有很大关系,为此我们以衍射光栅为研究背景,通过CATIA对金刚石尖劈刀进行三维建模并利用缩小比例功能在DERORM-3D中建立衍射光栅机械刻划的有限元仿真模型,以更好地分析衍射光栅机械刻划过程中光栅槽面的应力分布情况,揭示衍射光栅机械刻划过程中槽面的弹塑性变形规律,为提高槽形质量提高依据。     

弧形刻刀的主刃半径对中阶梯光栅槽形的影响研究

以弧形刻刀刻划79g/mm的中阶梯衍射光栅为研究对象,基于滑移线场理论建立了光栅槽形隆起高度的数学模型,并以此分析出槽形隆起高度随主刃半径增大而降低的变化规律.在有限元软件DEFORM中建立了弧形刻刀刻划光栅的动态仿真模型,模拟出主刃圆弧半径参数对槽形隆起高度的影响规律,和理论分析一致.为弧形刻刀刻划中阶梯衍射光栅的机理和工艺研究奠定基础.     

机械刻划过程中的材料滞留特征分析

为研究光栅毛胚材料在机械刻划过程中滞留区的产生及分布特征。基于LEE和SHAFFER提出的正交切削滑移线场理论模型,在机械刻划塑流剖面内建立了带有滞留区特征的滑移线场模型,提出量纲一滞留区几何尺寸的计算方法。并结合有限元仿真方法获得了机械刻划三向分力,经拟合得到滞留区几何尺寸的演变规律,揭示了滞留区产生机理及分布特征。最后通过机械刻划试验,验证了槽面滞留区的分布特征及其对光栅槽质量的影响。研究结果表明：在一定的机械刻划加工工艺条件下,光栅槽面形成明显分界线,该线将光栅槽面分为塑性变形区和滞留区。因槽面分区成形机理和槽面质量不同,多道槽机械刻划槽面会发生非线性变形,最终将影响衍射光栅的光学衍射效果。此研究结果为从滞留区角度考虑大负前角刀具机械刻划槽形及槽面质量的控制优化问题提供了理论及试验依据。     

衍射光栅机械刻划成槽的预控试验

由于目前机械刻划衍射光栅加工仍依赖操作者经验,故存在成槽质量差、无法预控等问题.本文结合铝薄膜蒸镀工艺现状,采用X射线衍射法(XRD)、扫描电子显微镜法(SEM)及纳米压痕实验揭示不同薄膜样本的微观结构与力学属性,提出了制作衍射光栅的“薄膜分类试刻法”.研究结果表明,光栅刻划过程可近似等效为楔体下压过程,对“低弹性模量类”薄膜,可采用滑移线场进行解析求解并一次试刻成槽;对“弹塑性类”薄膜,可采用有限元模拟实验进行成槽预控.该方法可预先对薄膜甄别分类,用不同的计算方法确定不同种类薄膜的工装参数,进而刻划出近乎完美的槽形;同时减少了试验刻划耗时与浪费,提高了成槽质量与刻划效率;为刻划更加精密的光栅奠定了基础.     

光栅机械刻划摩擦型颤振机理

研究了光栅机械刻划过程中弹性刀架和金刚石刻刀系统的摩擦型颤振机理。建立了光栅机械刻划摩擦型颤振动力学模型,并对颤振系统进行了稳定性分析,提出了系统的稳定性条件和"稳定性阈"。从能量角度对颤振进行了分析,获得了相同的稳定性条件。在刻划工艺试验装置上单一改变刻划速度进行了光栅刻划试验,通过对刻划力的测量和分析,验证了竖直方向刻划力相对于刻划速度具有下降特性,即满足了摩擦型颤振的前提条件。最后,通过对2、6、10和13mm/s 4组不同刻划速度下所刻光栅槽形轮廓的检测,验证了该系统在超过临界刻划速度(在6~10mm/s)的情况下会有颤振发生。验证实验证明了该摩擦型颤振动力学模型的有效性和稳定性阈的存在性,为深入量化分析并抑制颤振的发生奠定了理论基础。     

主副双刀机械刻划装置的开发与试验研究

超精密机械刻划加工领域中,在金属薄膜表面进行重复刻划(如衍射光栅)是一种罕见的加工方式,而工件材料(如铝膜)的回弹现象直接制约加工精度的进一步提高。本文根据衍射光栅机械刻划原理设计了一种主副双刀机械刻划装置的结构方案,并通过软硬件开发应用到衍射光栅机械刻划工艺的试验过程中,获得了更为精准的理想槽型的衍射光栅。通过扫描电子显微镜检测衍射光栅的槽型,分析得出主副双刀比单刀机械刻划出衍射光栅槽型的闪耀角精度提高了0.05°,进而验证了该装置的可行性,为后续工艺研究和工程应用研究提供了软硬件平台基础。     

机刻光栅复合基底对薄膜内应力的影响研究

机械刻划制备大尺寸中阶梯衍射光栅是亚微米级的成槽挤压过程,在薄膜成槽变形过程中应力的产生与分布会直接影响槽形质量。受限于实际加工及检测手段,无法对薄膜内应力进行有效研究与计算。通过建立无基底纯铝膜模型、仅存玻璃基底铝薄膜模型与具有玻璃—铬复合基底的真实铝薄膜等三种模型,采用有限元模拟压痕试验分析方法,对比分析受压区域应力分布情况,总结受压薄膜内应力分布规律。实验研究表明",三明治"式复合基底有助于薄膜内竖直方向内部应力的分布优化。此研究创新了基底效应与薄膜内应力相互影响关系的研究方法,同时为机刻光栅制备工艺提供借鉴指导。     

光栅分层结构铝膜塑变应力传递规律研究

近似采用连续均匀介质模型表征分层铝膜机械刻划塑变过程时,无法准确揭示铝膜微观结构对应力传递的影响规律,直接阻碍刻划光栅精密控形成槽技术的获取。首先通过扫描电镜获取光栅毛坯上分层铝膜的微观形貌,结合混合率理论建立具有晶粒晶界特性的两相晶粒模型。其次通过纳米压痕及纳米划痕实验获取分层结构铝膜的力学特性。最后利用Abaqus软件,对光栅机械刻划过程进行仿真分析。分析研究表明:临近刻槽的晶界在形变结束后储存压应力,阻碍下方晶粒中拉应力的释放。仿真中的回弹量与划痕数据相吻合,误差较传统模型减小一半。两相晶粒模型可以很好地揭示具有分层结构铝膜的加载形变规律。     

基于图像清晰度检测的光栅刻划平台调平装置

针对制备衍射光栅时刻划平台倾斜导致的光栅槽型误差,提出了一种基于图像清晰度检测与电动倾斜台调节的光栅刻划平台在线调平装置。建立了图像清晰度与光栅刻划平台倾角间关系的模型,应用该模型,控制光栅刻划平台在一定范围内实现了闭环动态调平。对上述理论研究进行了试验验证。试验结果表明,该调平装置简单可行;对于50mm×50mm的光栅毛胚,调平装置可控制刻划平台的水平倾角在4″以内,满足光栅刻划对平台定位精度的要求。该装置既可用于刻划前的调平准备,也可推广应用于光栅刻划过程中的实时检测。     

基于应变梯度理论的光栅铝膜本构关系表征及纳米压痕实验

基于应变梯度理论,提出了一种玻璃基底光栅铝膜本构关系的表征方法。建立了包含基底参数和铝膜参数的本构关系数学模型,并逐一表征了相关参数。进行了79g/mm中阶梯光栅铝膜的纳米压痕实验,验证了上述本构关系表征过程的正确性。提出了光栅薄膜材料和基底材料都具有尺度效应的假设,并应用纳米压痕实验对铝膜的尺度效应和基底效应进行了实验表征。对光栅铝膜压痕实验与含基底压深实验的结果进行了比较,结果显示,在有无基底条件下,压痕结果在应力方向上相差0.8倍,在应变方向上相差3倍。进行了光栅刻划实验,结果显示压痕实验对刻划实验具有重要的指导作用。研究过程及研究结果表明:理论分析和两种实验可有效地分析光栅刻划过程,有助于在实际光栅刻划过程中减小误差,对光栅刻划的工艺过程具有较好的理论指导意义。     

机械设计中基于有限元方法的模态分析

根据模态分析在机械设计中的作用,结合某产品设计实例,通过阐述模态分析有限元模型的建立过程,重点介绍了利用有限元进行模态分析的方法。并采用ANSYS程序对该产品进行了模态分析,由此判定了它的动力学薄弱部位。     

SX-700单色器光栅正弦机构数值模拟分析与测试

SX-700单色器是上海光源(SSRF)软X射线谱学显微光束线的核心部件;光栅正弦机构是其重要的组件,其波长扫描转角重复精度要求优于0.43”。为了验证设计能达到预期的精度指标,本文详细介绍了该单色器光栅正弦机构的转角精度误差来源,运用有限元分析软件ANSYS对光栅正弦机构中的正弦杆和驱动杆进行数值模拟,根据模拟结果对光栅正弦机构的转角精度进行误差分析,得转角重复精度为0.28”。利用我们建立的一套由光电自准直仪组成的测试系统测得光栅正弦机构的转角重复精度为0.15”。结果表明：光栅正弦机构的设计满足转角重复精度要求。     

基于CATIA Analysis的冲压端拾器力学分析及应用

对冲压端拾器的设计进行了理论分析,将工程分析加入设计过程,使端拾器的设计建立在虚拟验证的基础上,提高了端拾器的设计质量。首先分析了端拾器的结构特征;然后建立端拾器的有限元模型;最后基于CATIACAAAutomation二次开发技术,实现端拾器的自动力学分析模块开发,从而建立完整的端拾器设计仿真系统。     

悬架组件旋转刚度特性分析

由于悬架组件具有复杂的非线性弹性力学行为,往往需进行1个或者多个试验,以了解其弹性力学行为。随着计算机计算能力的提高,利用数值分析解决工程问题的能力大大提升。本文利用有限元分析软件ANSYS建立了悬架组件的有限元模型,应用APDL语言控制不同载荷步中对模型的加载、求解以及后处理,提取有限元模型中关键节点的坐标和位移,分析计算了不同转矩下转角的大小,最终获得旋转刚度曲线图。     

SX-700单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量

为了使上海光源(SSRF)研制的SX-700单色器的主要设计指标——波长扫描转角重复精度满足优于0.43″的要求,研究了单色器的波长扫描组件—光栅正弦机构的转角精度误差来源。设计单色器结构时,运用有限元分析软件AN-SYS对光栅正弦机构进行数值模拟计算,并根据模拟结果对光栅正弦机构的转角重复精度进行了误差分析,得到的转角重复精度为0.28″。依据分析结果制定了工程设计方案,并成功加工、装配了SX-700单色器。利用作者建立的一套由光电自准直仪组成的测试系统对光栅正弦机构的转角重复精度进行测试,实测精度为0.15″。结果表明,设计的SSRF的SX-700单色器光栅正弦机构的转角重复精度满足设计要求。     

一种康普顿光源柔性激光反射镜架的结构设计

设计了一种应用于康普顿光源激光光路精密调节系统的柔性激光反射镜架。该柔性激光反射镜架采用压电陶瓷电机驱动,通过机构中单自由度柔性铰链的弹性变形实现反射镜沿经度和纬度方向的两个转动自由度,实现对激光束入射角的精确调节。首先基于机构伪刚体模型,分别构建了机构运动学模型和输出刚度模型;然后利用有限元分析工具对机构理论位移和应力分布进行了仿真分析;最后利用视觉检测对镜架的可调节范围进行了实验验证。实验结果表明其经纬方向调节范围均在1.2°以上,柔性镜架各项参数设计合理,满足康普顿光源调节系统要求。     

无油涡旋压缩机密封条的有限元分析

为了提高无油涡旋压缩机轴向间隙的密封性能,以涡旋齿顶的聚四氟乙烯密封条为研究对象,对其进行有限元分析。利用三维建模软件建立了密封条和涡旋齿的几何模型,导入有限元软件中进行网格划分。通过齿顶密封模型的受力分析,详细阐述了边界载荷的计算依据,分析了密封条沿渐开线展开角方向的底面和侧面气体力载荷变化规律。设定了密封条的边界条件,对密封条模型进行有限元分析。计算结果表明,借助有限元技术可以获得不同曲轴转角时密封条的应力、变形分布规律,更好地掌握了密封条的工作性能,为密封条的设计提供了新方法。     

旋转控制头密封胶芯性能三维有限元分析与结构优化

为提升带压起下钻过程中旋转控制头胶芯密封性能,基于虚功原理得到动态密封过程的有限元控制方程,并进行橡胶单轴压缩试验确立胶芯变形过程中的Yeoh本构模型;运用ABAQUS试验平台建立胶芯三维有限元模型,通过模拟起下钻过程中胶芯动态密封过程,得出密封面上受力分布规律;研究胶芯内锥角、外锥角、内径等结构参数对密封性能的影响....