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北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文
畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告(論文)
報(bào)告(論文)題目：脈沖激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
作者所在系部：
作者所在專業(yè)：
作者所在班級：
作 者 姓 名 ：張凱偉
作 者 學(xué) 號 ：
指導(dǎo)教師姓名：
完 成 時(shí) 間 ：
北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制
摘 要
光纖激光器是以傳輸光纖為介質(zhì)，摻雜稀土元素活性離子作為介質(zhì)而構(gòu)成的一類激光器，是一種新型高性能全固態(tài)激光器，具備輸出光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、散熱好、可靠性高、易于集成等明顯優(yōu)點(diǎn)，目前，成為全面提升現(xiàn)有傳統(tǒng)激光器功能和掀起激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)改革的先鋒和領(lǐng)航者，在諸多領(lǐng)域具備廣泛使用前景。
本文主要對100W脈沖激光器結(jié)構(gòu)和激光器溫度控制的研究，應(yīng)用于激光清洗、激光加工系統(tǒng)、激光損傷系統(tǒng)，采用疊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即光路和電路，電路模塊外接24V恒流源接口，使用DB25針接口與計(jì)算機(jī)通信，光路模塊通過高穩(wěn)定度窄脈寬調(diào)Q脈沖種子源，經(jīng)兩級放大空間，達(dá)到100W脈沖輸出。
具體工作內(nèi)容如下：
首先，分析脈沖激光器的設(shè)計(jì)組成和工作原理，對不同的產(chǎn)熱部位、產(chǎn)熱機(jī)理和熱分布規(guī)律研討，選用風(fēng)扇冷卻方式。
其次，在三維繪圖軟件Pro/E中建立結(jié)構(gòu)的模型及裝配，在Ansys workbench中導(dǎo)入模型，建立模態(tài)分析、網(wǎng)格劃分，進(jìn)行熱仿真和振動仿真，分析風(fēng)冷的散熱效果。
最后，對仿真結(jié)果進(jìn)行記錄，比對元器件最高承受的溫度，以及光纖盤安全工作的溫度，真實(shí)反映散熱措施的散熱效果。
關(guān)鍵詞：脈沖激光器 結(jié)構(gòu) 有限元 熱仿真 振動分析
Abstract
Fiber laser based on optical fiber as medium， reactive ion doping rare earth elements as working medium， and form a kind of laser is a new type of high-performance， solid-state laser has good output beam quality， high conversion efficiency， good heat dissipation effect， high reliability and easy system integration etc. At present， has become a comprehensive upgrade the existing traditional laser performance and lifted the pioneer and leader of laser industry technical transformation， with wide application prospect in many fields.
In this paper， the main structure of 100W pulse laser and laser temperature control research， applied in laser cleaning， laser processing， laser damage system， uses the laminated structure design， the optical path and electric circuit， external interface 24 v constant current source circuit module，use DB25 needle interface with the computer communications， optical path module using a high stability narrow pulse width tuning Q seed source， amplified by two levels of space，reaching 100 w pulse output．
The details are as follows:
First of all， the analysis of design and working principle of pulsed laser，heat production of different parts for heat production mechanism and heat distribution， choose fan cooling mode.
Second，in the 3D drawing software Pro/E establish the structure of the model and assembly， import the model in the Ansys workbench， modal analysis, meshing， simulation of thermal simulation and vibration analysis of air cooling heat dissipation effect.
Finally， the simulation results are recorded and components on the highest temperature， and the temperature of the optical fiber plate of safety work， reflect the cooling effect of cooling measures.
Keywords: Pulse laser structure The finite element Thermal simulation Vibration simulation
I
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 1
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.1.1 來源 1
1.1.2 背景 1
1.2 國內(nèi)外研究情況 2
1.3本文主要研究內(nèi)容 2
第2章 介紹基本原理 4
2.1 光纖激光器的原理 4
2.2 高穩(wěn)定度窄脈寬調(diào)Q種子脈沖技術(shù)原理 4
2.3 光纖調(diào)Q激光器的光路結(jié)構(gòu) 5
2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 5
2.4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要性 5
2.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本條件和要求 6
2.4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 6
2.4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 6
2.5 熱仿真原理 6
2.5.1 熱源和熱阻 7
2.5.2 熱損傷 7
2.5.3 熱傳遞方式 7
2.5.4 穩(wěn)態(tài)傳熱 8
2.5.5 熱控制方法 8
2.5.6 本章小結(jié) 9
第3章 脈沖激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 光路結(jié)構(gòu) 10
3.1.1 各部分?jǐn)M采用的器件參量及相應(yīng)的輸出指標(biāo) 10
3.1.2 光路模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.1.3 光路模塊裝配 12
3.1.4 散熱齒片的設(shè)計(jì) 12
3.2 電路部分 13
3.2.1 控制及電路模塊主要完成內(nèi)容 13
3.2.2 電路部分工作過程 13
3.3 結(jié)構(gòu)熱源的依據(jù) 14
3.3.1 電路部分熱量 14
3.3.2 電路部分熱量 14
3.4 結(jié)果 15
3.5 改進(jìn)及評估 15
第四章 熱分析 16
4.1 脈沖激光器元器件熱源依據(jù) 16
4.2 風(fēng)扇的對流換熱系數(shù) 16
4.3 建立立熱學(xué)仿真模型及分析 17
4.4 熱仿真結(jié)果 18
4.5 結(jié)果 22
第五章 脈沖激光器振動仿真 23
5.1 振動仿真原理 23
5.2 建立分析模型及振動仿真 23
5.2.1 模型的簡化和導(dǎo)入 23
5.2.2 設(shè)置材料 23
5.2.3 劃分網(wǎng)格 23
5.2.4 模態(tài)分析 23
5.2.5 結(jié)果分析 24
5.3 結(jié)論 24
致 謝 25
參考文獻(xiàn) 26
1
第1章 緒論
1.1 課題背景
1.1.1 來源
本課題來源于中國航天第九研究院十三所得創(chuàng)新項(xiàng)目“高能窄脈寬脈沖光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)研究”。
1.1.2 背景
光纖激光器是近幾年發(fā)展起來的一種新型的激光器，和早先就技術(shù)成熟的固體和氣體激光器相比較，表現(xiàn)出良好的散熱功能，較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，較高的電光轉(zhuǎn)換效率，較低的功耗和簡易的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在工業(yè)加工、通信、醫(yī)療、化工和航空領(lǐng)域得到了廣泛的使用。近年來光纖激光器在科研、軍事和民用方面的應(yīng)用前景越來越普遍，尤其是脈沖激光器技術(shù)已經(jīng)成為激光技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題和研討對象。
光纖激光器是近幾年發(fā)展起來的一種比較新型的激光器，和早先就技術(shù)成熟的固體和氣體激光器相比較，表現(xiàn)出良好的散熱性能，較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，較高的電光轉(zhuǎn)換效率，較低的功耗和簡單的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在工業(yè)加工、通訊、醫(yī)療、化工和航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來由于光纖激光器在科研、軍事和民用方賣弄的應(yīng)用前景越來越廣泛，尤其是脈沖激光器技術(shù)已經(jīng)成為激光技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題和研究對象。
光纖激光器一般有連續(xù)和脈沖兩種工作形式。隨著各種特種光纖研制及光束合成技術(shù)的成熟，脈沖激光器得到的很大的發(fā)展。脈沖激光器在激光切割、激光焊接、激光涂覆等民用領(lǐng)域；在軍事領(lǐng)域，近年來發(fā)展的基于光纖激光的激光武器系統(tǒng)是高功率連續(xù)波長纖激光器重要應(yīng)用之一。脈沖激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光加工、激光打標(biāo)、激光清洗等；在高功率大脈沖能量的光纖激光器具有極好的損傷效果，用于構(gòu)建脈沖型激光武器系統(tǒng)，能對特種材料進(jìn)行有效的打擊，且比連續(xù)波激光武器系統(tǒng)耗能更少；在航空領(lǐng)域，緊湊高效的高能光纖脈沖激光器在空間碎片清理、激光推進(jìn)和激光雷達(dá)等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力?？傊?，發(fā)展高能窄脈寬光纖激光器具有廣闊的市場化和軍事應(yīng)用前景。
隨著對激光器功率的要求越來越高，其較大面積和體積，已經(jīng)不能滿足散熱要求。大量的熱積累會對關(guān)鍵的功率器件造成熱損傷，甚至影響光纖激光器性能和系統(tǒng)。因此就需要采用有效的熱控技術(shù)對高功率光纖激光器其進(jìn)行散熱處理，以滿足安全使用要求，本文以100W脈沖激光器為研究對象，根據(jù)脈沖激光器關(guān)鍵功率器件的散熱機(jī)理，利用風(fēng)扇冷卻散熱原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)展高功率小型化風(fēng)冷脈沖光纖激光器。
1.2 國內(nèi)外研究情況
鑒于高能脈沖光纖激光器在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司對其進(jìn)行研發(fā)。
早在2002年，Limpert等人實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為50kHz，脈寬為90ns，平均功率為100W脈沖激光器輸出。上海光機(jī)所實(shí)現(xiàn)了重復(fù)100KHz，脈寬為400ns，平均功率為133.3W光纖脈沖激光器輸出。
2011年，德國研究人員采用大模場光子晶體光纖，實(shí)現(xiàn)了平均功率為130W，重復(fù)頻率為5kHz，脈寬為65ns，單脈沖能量為26mJ的Q開關(guān)光纖激光器。
2013年，南普頓大學(xué)研究人員采用多級MOPA放大，報(bào)道了輸出功率為265W，脈寬為500ps-500ns可調(diào)，重頻1HZ-1MHz可調(diào)的脈沖光纖激光器。
2014年，天津大學(xué)研究人員采用二級MOPA放大，實(shí)現(xiàn)了脈寬為100kHz，平均功率為300W脈沖激光輸出。
除了高校和研究所對高能窄脈寬光纖激光器投入研究外，許多公司相繼發(fā)展高能窄脈寬光纖激光器，迄今為止，國內(nèi)脈沖光纖激光器主要廠家包括深圳創(chuàng)新、武漢銳科和山東海富，其脈沖激光器主要產(chǎn)品為10W、20W、30W、和50W，百瓦級實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但還未達(dá)到市場成熟產(chǎn)品狀態(tài)，而國外光纖激光器巨頭IPG高功率脈沖激光器成熟的產(chǎn)品種類有100W、100-500W、4000W檔次。
對比國內(nèi)外脈沖激光器可見，我國在高功率脈沖激光器方面，尤其是300W以上脈沖激光器幾乎是空白，因此有必要大力發(fā)展高功率脈沖激光器。
1.3 本文主要研究內(nèi)容
本文根據(jù)100W脈沖激光器產(chǎn)品研發(fā)需求，詳細(xì)介紹了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，論述了脈沖激光器調(diào)Q原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，針對使用環(huán)境和散熱需求，進(jìn)行了熱仿真和振動仿真，對于100W脈沖激光器采用了風(fēng)扇冷卻的方式，主要研究內(nèi)容如下：
（1）引薦本文課題的起源、背景，通過查閱資料了解了國內(nèi)外脈沖激光器的研究現(xiàn)狀，
（2）分析脈沖激光器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成和工作原理，對不同的產(chǎn)熱部位進(jìn)行產(chǎn)熱機(jī)理和熱分布規(guī)律研究，搭建相應(yīng)的產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型，分析了熱效應(yīng)對不同的關(guān)鍵功率器件的性能影響。針對地面和空間的不同工況條件，選用風(fēng)扇冷卻的熱控技術(shù)對激光器進(jìn)行散熱。
（3）在三維繪圖軟件Pro/E中建立結(jié)構(gòu)的模型，在ansys workbench中建立激光器殼體結(jié)構(gòu)有限元熱仿真，設(shè)置相應(yīng)的條件進(jìn)行研究，分析散熱效果的影響。
（4）對仿真結(jié)果進(jìn)行記錄，比對元器件最高承受的溫度，以及光纖盤安全工作的溫度，真實(shí)反映散熱措施的散熱效果。
第2章 介紹基本原理
2.1 光纖激光器的原理
光纖激光器與傳統(tǒng)激光器一樣，都是由泵浦源、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振腔三部分構(gòu)成，其原理圖如下圖2-1所示需改進(jìn)，泵浦源大多數(shù)情況下采用半導(dǎo)體激光器（LD），采用的LD輸出波長976nm，經(jīng)合束器將多個(gè)LD輸出的短波長的激光耦合到一根有源光纖中，再通過融合技術(shù)使激光傳輸?shù)皆鲆娼橘|(zhì)（有源光線）中。增益介質(zhì)為摻雜有稀土元素鐿的光纖，不同的稀土離子（Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+）不同波長激光照射下可得到不同波段的激光，本激光器采用的是摻雜有Yb3+的有源光纖，其輸出的激光的波長為1080nm。諧振腔由可以提供正反饋的光學(xué)器件如光功率剝離器、光纖合束器、光纖光柵等組成。泵浦光在增益介質(zhì)和諧振腔的作用下，最終由短波長低亮度的泵浦光形成長波長高亮度的穩(wěn)定激光輸出。
圖2-1 光纖激光器組成結(jié)構(gòu)和產(chǎn)熱圖
2.2 高穩(wěn)定度窄脈寬調(diào)Q種子脈沖技術(shù)原理
具有高穩(wěn)定度的調(diào)Q種子脈沖源是獲得更高功率脈沖激光器基礎(chǔ)，因此需對其進(jìn)行細(xì)致深入的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。當(dāng)聲光Q開光關(guān)閉時(shí)，諧振腔內(nèi)具有較大損耗和較低Q值，此時(shí)激光振蕩閥值高，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累；當(dāng)聲光Q開光打開時(shí)，諧振腔內(nèi)具有較小的損耗和較高的Q值，此時(shí)激光振蕩迅速建立，腔內(nèi)以極快速度建立起極強(qiáng)的振蕩，在短時(shí)間內(nèi)反轉(zhuǎn)離子數(shù)被大量消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)光能量并通過耦合鏡輸出一個(gè)極強(qiáng)的巨脈沖。光纖型脈沖激光器輸出脈沖寬度和能量及脈沖穩(wěn)定度與激光器泵浦功率、腔內(nèi)光纖長度、摻雜光纖濃度及各個(gè)器件的插入損耗相關(guān)，因此需對激光腔內(nèi)各個(gè)器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.3 光纖調(diào)Q激光器的光路結(jié)構(gòu)
100W脈沖激光主光路模塊由調(diào)Q脈沖種子源、預(yù)防大、主放大三部分，光路結(jié)構(gòu)如圖2-2。
圖2-2 100W脈沖激光器光路圖
為了滿足光纖脈沖激光器具有100W功率輸出，光路采用種子源加兩級放大的方案，種子源采用調(diào)Q脈沖種子源，由反射光柵、10/130摻雜光纖、聲光調(diào)制器、輸出光柵組成。光纖調(diào)Q種子脈沖源采用（2+1）×1合束器端泵方式。種子源和一級放大之間用在線隔離器隔離開，防止放大級對種子脈沖源產(chǎn)生影響。一級放大由（2+1）×1合束器和10/130摻雜光纖，經(jīng)CPS剝離泵浦光后，采用100W空間隔離器作為激光輸出。
2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，依據(jù)所確定的原理計(jì)劃，確定并繪出詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖，以體現(xiàn)出要求的功能。將抽象的原理具體轉(zhuǎn)化為某構(gòu)造或零部件，具體內(nèi)容為在確定結(jié)構(gòu)的材料、形態(tài)、尺寸、公差、熱處理、和外表狀況的同時(shí)，還需考慮其加工工藝、強(qiáng)度、剛度、精度以及與整體彼此之間等聯(lián)系，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)物雖然是技術(shù)圖紙，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是簡單地機(jī)械圖紙，圖紙只是表達(dá)設(shè)計(jì)計(jì)劃的方式，綜合技術(shù)的詳細(xì)化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容。
2.4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要性
隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展也極為迅速，并且，機(jī)械制造是我國主要生產(chǎn)行業(yè)之一，對推動我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著極大推進(jìn)的作用。然而，我國作為一個(gè)機(jī)械制造大國，在機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)上卻還未完善，很多機(jī)械制造都是仿造發(fā)達(dá)國家的機(jī)械設(shè)計(jì)工藝來生產(chǎn)的，盡管一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也發(fā)生了改動，而從本質(zhì)上卻仍然沒有太大的變化，自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)不足，始終援用技術(shù)會形成我國的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會隨著發(fā)達(dá)國家走，不能將其真正的跨越，我國作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)大國、機(jī)械制造大國，不可僅將眼光停留在機(jī)械的制造中，更應(yīng)將目光放在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新上，同時(shí)，還要注重機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新人才的培育，這才是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵。
2.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本條件和要求
進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須清楚了解對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全部要求和條件，具體如下：
（1） 功能要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具有的功能及其各主要部分應(yīng)具有的分功能，總體和各部分的性能參數(shù)。
（2）使用者和使用的環(huán)境
環(huán)境影響。環(huán)境中的塵埃和砂石、濕度、溫度、輻射、電場、磁場。
使用者的技術(shù)熟練程度。
2.4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)有:
（1）它是集思索、繪圖、計(jì)算于一體的設(shè)計(jì)進(jìn)程，是設(shè)計(jì)中遇到的困難最多、工作量最大的工作階段，約占80%工時(shí)，對設(shè)計(jì)的成敗起著決定性作用。
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多解性，即滿足同一設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)是有很多種的。
（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，經(jīng)常需交叉的進(jìn)行，為此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從整體出發(fā)以便滿足基本要求。
2.4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
（1）明確功用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)要求，確定尺寸和結(jié)構(gòu)形狀，以及互相之間的配合，滿足功能要求
（2）功能合理性。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)需要，通常有必要將工作合理的分配，即一個(gè)功能分解為多個(gè)分功能，每個(gè)分功能有確定的結(jié)構(gòu)承擔(dān)，各部分結(jié)構(gòu)之間有聯(lián)系，以達(dá)到最后能得實(shí)現(xiàn)。
（3）滿足強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則。截面的變動應(yīng)與其內(nèi)應(yīng)力變化相適應(yīng)，使各截面強(qiáng)度都能在承受范疇之內(nèi)。
2.5 熱仿真原理
要進(jìn)行設(shè)備及系統(tǒng)的耗能控制，必須熟悉系統(tǒng)內(nèi)的熱源、發(fā)熱源由及熱散布規(guī)律，明白熱傳遞的形式和主次關(guān)系，選擇合理的熱控方案，及時(shí)將元器件的溫升散走，確保元器件的常態(tài)工作。
2.5.1 熱源和熱阻
在各主要領(lǐng)域中，不同的元器件或設(shè)備均依拖電流與控制實(shí)現(xiàn)各種性能，設(shè)備在工作中，隨著電流的增加，熱源也會不斷生產(chǎn)，熱量的聚集也會越來越大，若不及時(shí)處理，其溫度就會上升，直到損壞，若熱流路徑良好，設(shè)備溫度會上升到一個(gè)穩(wěn)固的平衡點(diǎn)，此時(shí)從設(shè)備帶走的熱量與設(shè)備產(chǎn)生的熱量相等，以后溫度會保持穩(wěn)定不變。
2.5.2 熱損傷
（1） 熱損傷來源
一般情況下，設(shè)備所承受的熱損傷，主要來自于三個(gè)方面：
1)設(shè)備在工作過程中，由于輸入與輸出的能量存在轉(zhuǎn)換效率，即將一部分的電能轉(zhuǎn)換成了熱能。
2)工作在同一環(huán)境中的其他發(fā)熱體將熱量通過熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射的形式傳遞了設(shè)備。
3)在大氣環(huán)境中，由于各方向上的摩擦導(dǎo)致的溫升。
（2） 減少熱阻的方法
所以熱設(shè)計(jì)的主要原則是在熱源和用以消耗散熱的周圍環(huán)境之間，主動建立一條熱阻較低的熱流通道，將熱量以最快的速度散走，減少熱阻的方法有兩個(gè)方面：
1）控制元器件的內(nèi)熱阻，
2）降低元器件或系統(tǒng)設(shè)備與外界環(huán)境間的外熱阻。
（3）控制設(shè)備熱阻
控制設(shè)備熱阻可從四個(gè)方面入手：
1）散熱。借助氣體或液體可流動的特性，采用自然對流或者強(qiáng)迫對流的措施，將設(shè)備的耗熱帶走。
2）制冷。主要是對熱源進(jìn)行冷卻的一種方式。一般情況下應(yīng)采用固體升華和液體蒸發(fā)以及熱電制冷等技術(shù)，將器件或者設(shè)備冷卻至比周圍環(huán)境還低的溫度。
3）恒溫。主要是對熱源的溫度進(jìn)行維持，保證在一特定值或者周圍微小浮動，常用的是相變材料的潛熱和熱省得控溫以及熱電效應(yīng)。
4）傳熱。應(yīng)用具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的材料或者采用熱管導(dǎo)熱的方式，減小器件和設(shè)備與周圍環(huán)境的溫差。
2.5.3 熱傳遞方式
熱傳遞的形式有三種：熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射。在熱設(shè)計(jì)中，這些傳遞方式一般都是同時(shí)進(jìn)行。
（1） 熱傳導(dǎo)
物體的各組成部分之間沒有運(yùn)動時(shí)，在微觀上存在分子，原子核自由電子等的熱運(yùn)動導(dǎo)致的熱量傳送統(tǒng)稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)主要從微觀和宏觀兩個(gè)方面體現(xiàn)，一個(gè)表現(xiàn)在物體內(nèi)部，各部分之間存在溫差引起熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，另一個(gè)表現(xiàn)在物體相接觸時(shí)，具有較高溫度的物體吧熱量傳遞給溫度相對較低的物體。
傅里葉定律體現(xiàn)了熱傳導(dǎo)的規(guī)律，即在熱傳導(dǎo)時(shí)，單位步長時(shí)間內(nèi)通過特定截面的熱流量與垂直于該界面方向的溫度變化率，以及該截面的面積成正比的關(guān)系。
（2） 熱對流
一般來說，對流換熱通常表現(xiàn)為流體與固體表面熱量傳輸現(xiàn)象。是借助流體在活動過程中互相熱量的傳遞。按流體的流動的起因的差異，對流可分為自然對流換熱和強(qiáng)迫對流換熱兩類。引起自然對流是由于各部分流體的密度存在差異，而強(qiáng)制對流則是借助外力（風(fēng)機(jī)、水泵等）促使流體流動，按流態(tài)的不同可以分為層流和湍流兩種如圖2-5所示。
層流 湍流
圖2-3 層流和湍流
2.5.4 穩(wěn)態(tài)傳熱
穩(wěn)態(tài)傳熱是在傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化而變動，僅與取點(diǎn)的差異而不同。特點(diǎn)是流經(jīng)傳熱面的熱量在單位步長時(shí)間內(nèi)為一個(gè)常量，也就是說熱量達(dá)到一定值不再增加此時(shí)系統(tǒng)流入的熱量和系統(tǒng)自身的產(chǎn)熱量之和與流出系統(tǒng)的熱量相等。
（2-1）
則系統(tǒng)穩(wěn)定。
2.5.5 熱控制方法
對于熱定的元器件或者設(shè)備，知道了其產(chǎn)熱量、幾何參數(shù)、允許的最高溫度等，根據(jù)傳熱方式的不同，繪制如圖2.5.5所示的曲線，
圖2-4 熱控方式選擇參照圖
分析上圖可見，器件與周圍間溫差為60℃時(shí)，自然對流和輻射換熱的散熱僅在熱流表面密度小于0.05W/cm2時(shí)候有效，但在強(qiáng)迫風(fēng)冷對流換熱使物體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高了大約一個(gè)數(shù)量等級，這種情況下在溫升為100℃是不能提供超過1W/cm2的傳熱能力。為了促使從元件表面?zhèn)鬏數(shù)臒崃髅芏龋瑹嵩O(shè)計(jì)應(yīng)該在肋化空氣冷卻散熱器和直接液冷之間做出選擇，為了促進(jìn)對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可采用齒扇排列方案提高空氣冷卻效率。以便逐漸提高元件的熱流密度。
大多數(shù)器件和設(shè)備在散熱過程中都不同程度上利用了熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射三種傳熱方式，但在設(shè)計(jì)中往往只把一種傳熱方式作為主要方式。本課題的脈沖激光器采用的是第一類熱傳導(dǎo)。
2.5.6 本章小結(jié)
本章主要對光纖激光器、電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)原理及理論進(jìn)行了分析，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了闡述和說明，尤其是光纖調(diào)Q激光的光路結(jié)構(gòu)，另外對光纖調(diào)Q原理進(jìn)行了解釋，最后對熱仿真的原理進(jìn)行了分析，為后續(xù)脈沖激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱仿真提供了理論參考。
第3章 脈沖激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
100W脈沖激光器整機(jī)系統(tǒng)由主光路模塊、控制及電路模塊、電源接口、控制接口、恒流源模塊、泵浦源模塊、散熱模塊、輸出模塊等組成。目前激光器總體尺寸為400×300×210mm。
3.1 光路結(jié)構(gòu)
首先，光路部分是脈沖激光器的最重要部分，由于種子源功率較小，功率不足夠，所以光路設(shè)計(jì)采用光纖聲光調(diào)Q種子源加二級MOPA放大方案，第一級為種子脈沖源，采用光纖聲光調(diào)Q種子脈沖源，第二級為主放大，各放大級之間用在線隔離器進(jìn)行隔離。
3.1.1 各部分?jǐn)M采用的器件參量及相應(yīng)的輸出指標(biāo)如下
（1） 調(diào)Q種子脈沖源
實(shí)現(xiàn)指標(biāo)：重復(fù)頻率：20K-200K可調(diào)；
脈寬：100ns；
輸出平均功率：0.6-2W。
技術(shù)方案：種子脈沖激光器采用腔外端面泵浦源，合束器為（2+1）×1，泵浦源尾纖為105/125多模光纖，單臂承受功率大于20W,信號光纖為10/130雙包層光纖，泵浦LD最大輸出15W；反射光柵和輸出光柵中心波長都為1064nm，其中反射光柵反射率R=99.9%；
輸出反射光柵反射率R=10%,光柵尾纖為10/130雙包層光纖；聲光Q開光20K-200K可調(diào)，上升沿50-150ns，損傷閥值大于5W。
（2） 一級放大（預(yù)防大）
實(shí)現(xiàn)指標(biāo):脈寬：＜120ns；
輸出平均功率：＞15W。
技術(shù)方案：采用隔離功率大于10W的在線隔離器（ISO）；合束器為（2+1）×1，泵浦尾纖為105/125多模光纖，信號光纖為10/130雙包層光纖，單臂承受功率大于30W，泵浦源采用2個(gè)最大輸出功率為225W的LD，增益光纖采用10/130雙包層摻雜光纖，光線長度為8-15m。
（3） 二級放大（功率放大）
實(shí)現(xiàn)指標(biāo)：脈寬：150ns；
輸出平均功率：＞100W；
技術(shù)方案: 采用隔離功率大于20W的在線隔離器（ISO）；合束器為（6+1）×1，泵浦尾纖為105/125多模光纖，信號光纖為10/130。
雙包層光纖，單臂承受功率大于50W，泵浦源采用5個(gè)最大輸出功率為大于50W的LD，增益光纖采用30/250雙包層摻雜光纖，光線長度為8-15m。
3.1.2 光路模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
光路模塊主要實(shí)現(xiàn)激光振蕩，放大和輸出，其中包括調(diào)Q種子光纖脈沖源，預(yù)防大和主放大兩級，最后經(jīng)隔離器輸出。當(dāng)傳感器的光纜彎曲半徑過小時(shí)，入光率也會相應(yīng)變少，傳感器認(rèn)為檢測到了物體，有輸出，這樣會出現(xiàn)誤輸出，所以有最小彎曲半徑。三維模型如圖3-1所示。
圖3-1 光路三維模型
3.1.3 光路模塊裝配
在Pro/E中，首先按實(shí)際尺寸構(gòu)建零件的三維實(shí)體，如隔離器ios，剝離器cps，合束器，種子源，LD等，繪制出支撐光纖的光纖槽，有利于光纖的散熱和固定，再新建裝配體文件夾，采用設(shè)計(jì)思維和模塊化思想，通過定義插入約束，配合約束、對齊約束，將各零件組裝成裝配體，判別裝配體結(jié)構(gòu)的合理性，若不合理，對零件或裝配信息重新修正，免得各零件之間產(chǎn)生干涉，使設(shè)計(jì)達(dá)到合理設(shè)計(jì)要求。裝配結(jié)果如圖3-2。
圖3-2 光路模塊裝配圖
3.1.4 散熱齒片的設(shè)計(jì)
散熱齒片是風(fēng)冷散熱的主要組成部分，直接決定了散熱效果的好壞，不同高度尺寸的散熱齒片，對器件的散熱效果不一樣，由經(jīng)驗(yàn)得知散熱通道/齒片寬度=2/1或3/1，即若齒片寬度大約為1mm，風(fēng)通道為2-3mm，光路散熱齒高40mm，光路散熱齒高20mm，因此需要設(shè)計(jì)合理的散熱齒片高度，使其具有最優(yōu)的散熱效果。如圖3-3所示：
圖3-3 散熱齒示意圖
3.2 電路部分
3.2.1 控制及電路模塊主要完成以下內(nèi)容：
（1）與DB25接口通信，將外部命令轉(zhuǎn)換為內(nèi)部控制。
（2）打開和關(guān)閉紅光指示光源。
（3）打開和關(guān)閉電流源，為了保證光纖激光器光路穩(wěn)定，其電流系統(tǒng)必須要進(jìn)行延時(shí)控制。激光器打開時(shí)，其中預(yù)放大供電電流源必須遲于供電電流源打開至少50ms，主放大供電電流源必須遲于預(yù)防大供電電流源打開至少50ms，激光關(guān)閉時(shí)，其中主放大供電電流源必須早于預(yù)防大供電電流源關(guān)閉至少50ms，預(yù)放大供電電流源必須早于供電電流源關(guān)閉至少50ms。
3.2.2 電路部分工作過程
24V供電電流源通過AC/DC變換給數(shù)字電路提供5V電源，同時(shí)給紅光電源，和激光器驅(qū)動源提供12V電源，CPU（數(shù)字邏輯芯片）通過25針接口，與上位機(jī)通訊接收指令，CPU解碼指令后并執(zhí)行，通過繼電器控制激光器驅(qū)動源延時(shí)導(dǎo)通，并根據(jù)上位機(jī)通訊接受指令，中的功率信息控制驅(qū)動源的電流幅值，同時(shí)根據(jù)上位機(jī)指令中的重頻信息控制輸出光開關(guān)控制脈沖信號，完成脈沖激光器脈沖激光輸出。電路結(jié)構(gòu)圖如圖3-4。
圖3-4 電路三維模型結(jié)構(gòu)圖
電路部分結(jié)構(gòu)固定電路板，合理布置主要產(chǎn)熱器件MOS管的位置，滿足散熱要求，在有限的空間裝配添加Q開關(guān)。電路部分裝配結(jié)構(gòu)圖如圖3-5。
圖3-5 電路裝配圖
3.3 結(jié)構(gòu)熱源的依據(jù)
脈沖激光器有很多功率元器件組成，在工作時(shí)，會因?yàn)檗D(zhuǎn)化效率，產(chǎn)生一些熱量，具體如下。
3.3.1 電路部分熱量
電路部分總共產(chǎn)生熱量60-70W，共有5條電路板調(diào)整恒流源，每條有兩個(gè)莫式管，所有熱量均布在10個(gè)莫式管上，主要產(chǎn)生的熱集中在莫式管上，每個(gè)莫式管熱量7W。
3.3.2 電路部分熱量
種子源LD將電能轉(zhuǎn)化為光能，LD電光轉(zhuǎn)換效率是45%，輸入電能10/45%≈22W，即產(chǎn)生10W的熱量。
一級放大的小LD產(chǎn)生熱量（25/45%）- 25≈27W
二級放大的三個(gè)大LD輸入功率是100W，由于電光轉(zhuǎn)換效率大約為45%左右，其余全部轉(zhuǎn)換為熱量，產(chǎn)生的熱大約為100×55%=55W。即各大LD生成大約50W熱量，總共產(chǎn)生50×3=150W熱量。橢圓跑道熱量24W，圓形跑道熱量5.4W。具體可見表3-1。
表3-1 元器件產(chǎn)生熱量表
元器件
熱量(W)
大LD
50
小LD
10
一級放大LD
27
MOS管
14
3.4 結(jié)果
經(jīng)過一個(gè)半月的努力和討論，將脈沖激光器的三維模型繪制出，內(nèi)部元器件已經(jīng)模擬安裝上，強(qiáng)化了自己的繪圖和設(shè)計(jì)能力，提高了自己繪圖能力。
3.5 改進(jìn)及評估
現(xiàn)階段第一版的三維模型已經(jīng)完成，經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)和同事的評定建議，尺寸較大，內(nèi)部元器件布置不合理，空余空間太多，沒有充分利用空間，層數(shù)太多，不便于維修和拆裝。下一步需要重新排布元器件，合理安排，將激光器總尺寸降低。
第四章 熱分析
為適應(yīng)設(shè)備小型化要求，電子器件集成度越來越高，功率不斷增加，設(shè)備工作中因溫度過高引起的問題日益突出，如果熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，將導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部電子元件受損，如何控制設(shè)計(jì)產(chǎn)品的電子元器件的溫度，使其在所處環(huán)境不超越標(biāo)準(zhǔn)及允許的最高溫度是熱設(shè)計(jì)需求處理的問題，利用Ansys專業(yè)分析軟件進(jìn)行仿真分析，能夠獲得較為真實(shí)的數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)提供有力的參考依據(jù)。
脈沖激光器采用風(fēng)扇冷卻方式，此種冷卻方式在工業(yè)中用途廣泛，散熱效果較好，無論是電路板關(guān)鍵發(fā)熱器件還是高功率LD等,都運(yùn)用風(fēng)扇冷卻取得了良好的散熱效果。
風(fēng)扇冷卻方式主要是通過空氣對流換熱系數(shù)和熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱，激光器殼體采用導(dǎo)熱率較高的鋁材料，電路發(fā)熱莫式管緊貼在電路部分下表面，光纖在圓形和橢圓形跑道緊密接觸，五個(gè)LD在光路部分最下面，及時(shí)能將熱量傳導(dǎo)出去，風(fēng)扇采用強(qiáng)制對流，最終將熱量帶走，達(dá)到散熱目的。
4.1 脈沖激光器元器件熱源依據(jù)
種子源LD將電能轉(zhuǎn)化為光能，LD電光轉(zhuǎn)換效率是45%，輸入電能10/45%≈22W，即產(chǎn)生10W的熱量。
一級放大的小LD產(chǎn)生熱量（25/45%）-25≈27W
二級放大的三個(gè)大LD輸入功率是100W,由于電光轉(zhuǎn)換效率大約為45%左右，其余全部轉(zhuǎn)換為熱量，產(chǎn)生的熱大約為100×55%=55W。即各大LD生成大約50W熱量，總共產(chǎn)生50×3=150W熱量。
橢圓跑道熱量24W，圓形跑道熱量5.4W。列表格如下表4-1。
表4-1 元器件熱量表
元器件
熱量(W)
大LD
50
小LD
10
一級放大LD
27
MOS管
14
4.2 風(fēng)扇的對流換熱系數(shù)
流體與固體表面之間的換熱能力，表面對流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過程中流體的物理性質(zhì)、換熱表面的外形、部位、表面以及流體的流速等都有關(guān)系。物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對流換熱系數(shù)也愈大。對流換熱系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，很多情況下用巴茲公式計(jì)算。
經(jīng)查詢資料得知，對流換熱系數(shù)分為自然對流和強(qiáng)制對流，脈沖激光機(jī)冷卻方式屬于后者，空氣自然對流5～25，氣體強(qiáng)制對流20～100。
經(jīng)查詢使用的風(fēng)扇電壓24V，電流0.78A，轉(zhuǎn)速5700RPM，風(fēng)量為80.16CFM，風(fēng)扇面積為80×80mm，計(jì)算步驟如下：
1CFM ≈5.097m3/min，80CFM=136.272m3/h=408.58m3/min。
風(fēng)口面積：S=80×80=6400mm2=0.0064m2。
熱流密度：Q=vt×s （3-1）
v=Q/ts=408.58/（3600×0.0064）=17.73m/s。
八級大風(fēng)為17.2-20.7m/s，風(fēng)速為八級風(fēng)。
經(jīng)查詢，得到經(jīng)驗(yàn)公式hc=Bvn （3-2）
h= Bvn/c=41.075，即所采用的風(fēng)扇冷卻方式的對流換熱系數(shù)是40 W/(m2·K)
B=18.3，速度指數(shù)：n=0.5-0.6。
h——對流換熱系數(shù)。
4.3 建立立熱學(xué)仿真模型及分析
4.3.1 模型的簡化和導(dǎo)入
在Pro/E軟件中建立三維實(shí)體模型，是根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸繪圖，如圖所示在做有限元分析時(shí)，為了減少分析的運(yùn)算量和分析的可行性，需要對模型簡化處理，根據(jù)慣例，如一些對分析最終結(jié)果影響很小的倒角、孔需要簡化去掉，在Ansys軟件中，形成Ansys的三維模型。在三維模型中需要用螺釘連接，但連接處螺釘分析處理很復(fù)雜，簡化去掉。通常實(shí)驗(yàn)條件下，可以認(rèn)為連接面不發(fā)生相對滑移，所以為了簡化分析把這些面連接在一起。
啟動Ansys workbench，創(chuàng)建分析項(xiàng)目A，導(dǎo)入簡化后的三維模型。雙擊Geometry，進(jìn)入Design Modeler，單擊Generate，即導(dǎo)入模型成功。
圖4-1 簡化后模型
4.3.2 設(shè)置材料
在安裝結(jié)構(gòu)主要由三維實(shí)體組成，鋁材料導(dǎo)熱性能良好，密度相對較小，采用鋁材料（6106-T6），在材料庫中添加鋁材料。雙擊Engineering Date，將鋁材料添加到模型中。
4.3.3 劃分網(wǎng)格
使用Ansys網(wǎng)格劃分工具對模型光路和電路模塊劃分網(wǎng)格，點(diǎn)擊Mesh，將Sizing改為Medium，等待進(jìn)度顯示條完成，網(wǎng)格劃分完成，共劃分294821個(gè)單元網(wǎng)格。
4.3.4 添加熱載荷
在風(fēng)扇添加處熱對流，點(diǎn)擊Convection，在元器件上添加熱載荷，點(diǎn)擊Heat Flow，逐個(gè)添加。
4.3.5 結(jié)果后處理
右擊B6，插入Temperature，進(jìn)度顯示條完成，后處理成功。
4.4 熱仿真結(jié)果
雖然Ansys仿真軟件能夠提供一定的參考，是建立在簡化模型后的，具體安裝會有偏差，為了保證激光器穩(wěn)定工作，模擬元器件在不同熱量下的散熱情況，需要模擬不同環(huán)境下。
4.4.1 強(qiáng)制風(fēng)冷，不同對流換熱系數(shù)下溫升變化
橢圓跑道15W，圓跑道3W，對流換熱系數(shù)為40，不同對流換熱系數(shù)表格見表4-2，截圖見圖4-2，剖視圖見圖4-3，
表 4-2
對流換熱系數(shù)
最高熱
位置
橢圓跑道
圓跑道
小LD1
小LD2
大LD
莫式管
20
35℃
大LD
34.6℃
33
30
34.8
35
35
30
32.649
大LD
32.1
30.4
27.8
32.6
32.6
32.4
40
31,433
小LD
31
29.2
26.8
31.433
31
30.9
50
30.729
小LD
30.3
28.4
26.2
30.729
30.2
30.08
60
30.253
小LD
29.8
27.88
30.253
25.83
29.6
29.4
70
29.909
小LD
29.47
27.42
25.554
29.909
29
29
80
29.646
小LD
29.204
27.188
25.3
29.646
28.86
28.7
90
29.438
小LD
28.981
26.937
25.13
29.438
28.539
28.443
100
29.269
小LD
28.811
26.743
25.06
29.269
28.3
28.233
圖4-2 整體溫度分布圖
圖4-3 剖視溫度分布圖
4.4.2 殼體不同對流換熱系數(shù)，溫升變化
風(fēng)冷對流換熱系數(shù)為40，橢圓跑道15W，圓跑道3W。不同殼體自然毒瘤換熱系數(shù)見表4-3，殼體對流溫度分布云圖如圖4-3。
表 4-3
殼體自然對流換熱系數(shù)
最高熱
位置
橢圓跑道
圓跑道
小LD1
小LD2
大LD
莫式管
5
31,433
小LD
31
29.2
26.8
31.433
31
30.9
10
31.356
小LD
30.933
29.084
26.774
31.356
31.148
30.911
15
31.285
小LD
30.794
29.021
26.704
31.285
31.109
30.819
20
31.22
小LD
30.677
29.17
26.649
31.217
31.045
30.751
25
31.158
小LD
30.561
29.075
26.586
31.158
31.008
30.655
圖4-4 殼體對流溫度分布云圖
4.4.3 不同圓跑道熱載荷的溫升變化
風(fēng)冷氣體強(qiáng)對流換熱系數(shù)40，殼體自然換熱系數(shù)5，橢圓跑道15w，不同圓跑道熱量見表4-4，圓跑道溫度分布圖如圖4-5。
表 4-4
圓跑道
最高熱
位置
橢圓跑道
小LD1
小LD2
大LD
莫式管
10
31.346
圓跑道
31.371
26.952
31.549
31.354
31.153
15
35.373
圓跑道
31.449
26.997
31.583
31.451
31.251
圖4-5 圓跑道溫升變化
4.4.4 不同橢圓跑道熱載荷，溫升變化
橢圓跑道變化，風(fēng)冷氣體強(qiáng)對流換熱系數(shù)40，殼體自然換熱系數(shù)5，圓跑道熱5W，不同橢圓跑道熱載荷表見表4-5，橢圓跑道溫度分布云圖。
表 4-5
橢圓跑道
最高熱
位置
圓跑道
小LD1
小LD2
大LD
莫式管
20
33.056
橢圓跑道
29.709
26.99
31.584
31.313
31.147
25
34.878
橢圓跑道
29.867
27.061
31.652
31.384
31.211
30
36.699
橢圓跑道
30.024
27.128
31.715
31.484
31.271
35
38.518
橢圓跑道
30.071
27.201
31.784
31.499
31.314
40
40.334
橢圓跑道
30.326
27.255
31.852
31.56
31.403
圖4-6 橢圓跑道溫度分布云圖
4.5 結(jié)果
本章對脈沖激光器的主要功率器件，LD、跑道、MOS管等，進(jìn)行了風(fēng)冷分析，建立了熱仿真有限元仿真模型，對不同的熱對流換熱系數(shù)進(jìn)行了假設(shè)與仿真。通過對數(shù)值仿真結(jié)果的分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的可行性，最后對將熱仿真后的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到脈沖激光器整體系統(tǒng)，散熱要求可達(dá)到使用要求。
第五章 脈沖激光器振動仿真
隨機(jī)振動分析也稱為功率譜密度分析，是一種基于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的譜分析技術(shù)。
5.1 振動仿真原理
現(xiàn)實(shí)中有很多情況下載荷是不確定的，如在運(yùn)輸脈沖激光器的過程中，汽車在公路上行駛時(shí)每次的振動載荷也會有所差別，由于不確定性，這種狀況不可選擇瞬態(tài)分析來模擬分析，另外和確定性振動不同，隨機(jī)振動遵循概率統(tǒng)計(jì)法則，只能用概率統(tǒng)計(jì)方法形容，于是從概率統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，將時(shí)間歷程的統(tǒng)計(jì)樣本轉(zhuǎn)變?yōu)楣β首V密度函數(shù)（PSD）-----隨機(jī)載荷時(shí)間歷程的統(tǒng)計(jì)響應(yīng)，在功率譜密度函數(shù)的基礎(chǔ)上來隨機(jī)振動分析，會得到響應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)值。
隨機(jī)振動分析是一種頻域分析，需求首先進(jìn)行模態(tài)分析，得到主要的被激活振型的頻率和振型，提取出來的頻譜應(yīng)該位于PSD曲線頻率范圍之內(nèi)，載荷為PSD譜，作用在結(jié)構(gòu)上，也就是作用在所有約束位置。
5.2 建立分析模型及振動仿真
5.2.1 模型的簡化和導(dǎo)入
在Pro/E軟件中根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸繪圖，建立三維實(shí)體模型，在做有限元分析前，簡化三維模型，導(dǎo)入簡化后的模型。
5.2.2 設(shè)置材料
采用鋁材料（6106-T6），鋁材料有抗震性能良好，密度相對較小，質(zhì)量較小等長處。在材料庫中添加鋁材料。
5.2.3 劃分網(wǎng)格
使用Ansys網(wǎng)格劃分工具對模型光路和電路模塊劃分網(wǎng)格，共劃分103842個(gè)單元網(wǎng)格。
5.2.4 模態(tài)分析
利用Ansys模態(tài)分析對模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率和第二振動頻率，分別為609.62和788.11HZ，振動頻率如圖5-1。
圖5-1 振動頻率頻譜圖
5.2.5 結(jié)果分析
從隨機(jī)振動分析結(jié)果可以看出，最小振動頻率為609.62Hz，根據(jù)國軍標(biāo)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)查詢，得知振動頻率在0-500Hz。分析結(jié)果振動頻率高于標(biāo)準(zhǔn)，不會發(fā)生共振，符合國家軍隊(duì)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果如下：
圖5-2 振動仿真云圖
5.3 結(jié)論
經(jīng)過對激光器模型的有限元分析，特別是振動分析，證明建立的三維模型是可行得，并依據(jù)分析結(jié)果提出了更好的修改計(jì)劃。同時(shí)，能夠看出Ansys能對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并得到了相對應(yīng)的結(jié)果，但是，在用Ansys有限元分析是存在很多簡化，與實(shí)際的產(chǎn)品在生產(chǎn)中存在公差，所以用Ansys的分析結(jié)果只能作為設(shè)計(jì)的參考。
致 謝
光陰荏苒，大學(xué)的學(xué)習(xí)即將結(jié)束，四年的學(xué)習(xí)生活使我收獲頗豐。畢業(yè)實(shí)習(xí)是大學(xué)學(xué)習(xí)完成全部課程后的最重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，此畢業(yè)設(shè)計(jì)是在實(shí)習(xí)單位做的企業(yè)課題，在這兩個(gè)多月的實(shí)習(xí)階段，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文終于完稿，回首這段時(shí)間以來，從繪圖和仿真軟件的學(xué)習(xí)、三維模型的建立、評估、探討、修改到最終確定，我得到了許多同事的關(guān)懷和幫助，如今要向他們表達(dá)我最誠摯的謝意 。
感謝校內(nèi)指導(dǎo)老師陳明教授在實(shí)習(xí)工作和畢業(yè)設(shè)計(jì)的幫助，在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從開題報(bào)告、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖的確定，到結(jié)構(gòu)的修改和完善，都提出了很多寶貴意見。設(shè)計(jì)說明書的修改也提出指導(dǎo)性意見和建議，幫助我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。
在這里感謝航天九院十三所的李磐博士，在激光器設(shè)計(jì)和論文構(gòu)架對我的悉心指導(dǎo)，以及科研項(xiàng)目中思想啟發(fā)和指導(dǎo)。整個(gè)進(jìn)程中都給予了我悉心的指點(diǎn)。同時(shí)還在思想上給我以無微不至的關(guān)心。作為一個(gè)本科生，因?yàn)榻佑|的設(shè)計(jì)項(xiàng)目很少，難免有許多考慮不周全的，如果沒有李博士的指導(dǎo)和傳授，想要完成幾乎是不可能的。
感激航天科技集團(tuán)第九研究院十三研究所的王軍龍研究院、何哲璽博士和張琳研究員在結(jié)構(gòu)方面對我進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)。尤其是在仿真軟件的學(xué)習(xí)和經(jīng)典理論知識上。盡管我的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，然而何博士和張琳依然認(rèn)真糾正設(shè)計(jì)中的不足之處，對我孜孜不倦的教誨，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提供了很有價(jià)值的指導(dǎo)，指點(diǎn)的每一個(gè)方案，都使我有醍醐灌頂之感。除了敬仰他們專業(yè)程度外，他們勤奮細(xì)心的科研態(tài)度，認(rèn)真踏實(shí)的工作作風(fēng)是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將會影響我今后的學(xué)習(xí)和生活。
最后，向北華航天工業(yè)學(xué)院評審團(tuán)及參加答辯的老師表示謝意。
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