CN108549772B - 一种结构优化的偏振片轮及其设计方法 - Google Patents

一种结构优化的偏振片轮及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种结构优化的偏振片轮及其设计方法，属于光学仪器领域。该偏振片轮包括若干偏振片容纳单元，单个偏振片容纳单元包括柱形承载部，柱形承载部上设有通孔；若干偏振片容纳单元呈环形排列，偏振片容纳单元之间通过柱形承载部连接，若干偏振片容纳单元围绕轮心排布，单个偏振片容纳单元通过筋与轮心连接。本发明将拓扑优化和多目标遗传算法两种优化方法结合起来使用在偏振片轮上，可以得到更合理的结构设计，省材、轻量化并保证工作性能。

Description

一种结构优化的偏振片轮及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种偏振片轮，尤其是偏振片轮的一种结构优化设计方法，属于光学仪器领域。
背景技术
对于偏振片轮的机械结构设计，按功能和精度要求做出的结构能满足要求，但是材料的浪费和结构的臃肿一直是个需要解决的问题，且没有经过合理优化的结构不但材料浪费，同时性能不一定很好，同样的材料和重量没有发挥其最大的作用。拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案，但此优化设计只是一个大体的结构布局，结构尺寸可以进一步进行优化。多目标遗传算法可实现全局最优化，使结构进一步轻量化，节省材料，减少资源的浪费。但多目标遗传算法只能对已定型的结构参数进行优化，所以结构的定型需要我们的经验去评估，评估的不好有可能浪费好多材料。对于偏振片轮的设计通常要么就依靠平时的经验，要么就查轮库资料，轮库资料也是非常有限的，这样没有充分利用好材料，结构也不一定合理，性能也没有得到充分的评估。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种结构优化的偏振片轮及其设计方法，本发明的具体方案如下：
一种结构优化的偏振片轮，包括若干偏振片容纳单元，单个偏振片容纳单元包括柱形承载部，柱形承载部上设有通孔；若干偏振片容纳单元呈环形排列，偏振片容纳单元之间通过柱形承载部连接，若干偏振片容纳单元围绕轮心排布，单个偏振片容纳单元通过筋与轮心连接。
进一步地，相邻两个偏振片容纳单元柱形承载部相交。
进一步地，包括6个偏振片容纳单元，其中，第一个偏振片容纳单元与最后一个偏振片容纳单元之间不接触。
进一步地，偏振片轮变形≤3.8×10-3μm。
本发明涉及的结构优化的偏振片轮的设计方法，包括如下步骤：步骤(1)、初始形状设计
根据偏振片的形状、尺寸和偏振片轮的使用功能对偏振片轮进行初始设计，然后建立偏振片轮的三维模型；初始设计的偏振片轮包括轮体，设于轮体中部的轮心，沿轮体边缘均匀分布的若干带有通孔的偏振片承载部，其中一个通孔不设置偏振片承载部，偏振片轮变形≤3.8x10-3μm；
步骤(2)、网格划分
将建立的三维模型导入有限元优化软件，进行形状优化，定义结构材料、弹性模量、泊松比和密度，然后进行网格划分，使得网格划分的偏斜值小于9.5；
步骤(3)、重力变形和应力分析
偏振片轮在转动过程中所受重力变形和应力存在两种极端状态：A、重力垂直于偏振片轮平面；B、重力平行于偏振片轮平面；设定好偏振片轮两种极端状态的重力方向，得到偏振片轮两种极端状态下的载荷分布，然后，对于两种极端状态，分别进行变形和应变分析，即可得到偏振片轮两种极端状态下的变形和应力分布结果；
步骤(4)、拓扑优化
对偏振片轮结构进行优化，设定偏振片轮的重量减少量；根据步骤(3)中的偏振片轮两种极端状态下的结构分布、变形和应力分析情况，决定是否除去不必要的部分；若变形和应力远远满足，就除去不必要的部分，否则就得改或加结构。
步骤(5)、重复步骤(3)和步骤(4)直到得到满意的结构
设定重力垂直于偏振轮平面或平行于偏振轮平面两种极端受力状态，轮心固定，进行静态受力分析；根据变形结果，对偏振片轮重量和结构布局进行适当的简化，此步骤反复进行，最终得到此优化方法下最轻的结构；
步骤(6)、多目标遗传算法优化
包括如下步骤：
步骤A、对步骤(5)拓扑优化后的偏振片轮可变的尺寸进行设定；
步骤B、将参数化了的偏振片轮进行形状优化，设定输入参数、目标函数和边界条件；
步骤C、进行多目标遗传算法优化。
进一步地，所述偏振片轮可变的尺寸为镜室壁厚、轮子筋宽和轮毂厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明将拓扑优化和多目标遗传算法两种优化方法结合起来使用在偏振片轮上，可以得到更合理的结构设计，省材、轻量化并保证工作性能。本发明先采用CAD软件进行偏振片轮的三维建模，然后再用有限元软件根据偏振片轮的工作情况，对其进行加载和约束限制。接着采用拓扑优化方法在偏振片轮满足受力和性能的条件下，对其进行大面积的材料去除，然后再采用多目标遗传算法进行具体的结构参数优化，最终使偏振片轮在满足使用性能的条件下，结构最轻，最合理。
附图说明
图1为结构优化前的偏振片轮的结构示意图；
图2为图1的A-A面的结构示意图；
图3为本发明的结构优化后的偏振片轮的结构示意图；
图4为图3的A-A面的结构示意图；
图5(a)是重力垂直于轮平面的结构示意，图5(b)设轮心固定，图5(c)和(d)分别为偏振片轮初始结构下重力垂直于转轮平面的变形和应力；
图6(a)设轮心固定，(b)是重力平行于轮平面的结构示意；图6(c)和(d)分别为偏振片轮初始结构下重力平行于转轮平面的变形和应力；
图7为拓扑优化后的需要去除材料的偏振片轮图；
图8为拓扑优化后用Workbench分析偏振片轮的变形；
图9为SOLIDWORKS中将偏振片轮的可变尺寸进行参数化；
图10为多目标遗传算法优化过程中加载垂直于偏振片轮平面的重力；
图11为多目标遗传算法优化过程中加载垂直于偏振片轮平面重力后的变形；
图12为多目标遗传算法优化过程中加载平行于偏振片轮平面重力；
图13为多目标遗传算法优化过程中加载平行于偏振片轮平面重力的变形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，初始设计的偏振片轮包括轮体，设于轮体中部的轮心8，沿轮体边缘分布的7个通孔，依次为第一通孔1、第二通孔 2、第三通孔3、第四通孔4、第五通孔5、第六通孔6和第七通孔7，偏振片承载部和通孔同心，其中一个通孔不设置偏振片安装。
基于重量和材料的优化需求，优化后的偏振片轮如图3-4所示，包括6个偏振片容纳单元，单个偏振片容纳单元包括柱形承载部，柱形承载部上设有通孔。6个偏振片容纳单元呈环形排列，偏振片容纳单元之间通过柱形承载部连接，若干偏振片容纳单元围绕轮心8排布，单个偏振片容纳单元通过筋与轮心连接。可以看出的是，6个偏振片容纳单元与6个通孔对应，不安装偏振片的通孔部分已删除，以减轻重量，进而，第一个偏振片容纳单元与最后一个偏振片容纳单元之间不接触。6个偏振片容纳单元柱形承载部依次相交。偏振片轮整体变形≤3.8×10-3μm。
本实施例的优化设计方法具体如下：
步骤(1)、偏振片轮的初始形状设计
根据偏振片的形状、尺寸、和偏振片轮的使用功能对偏振片轮进行初始形状设计，然后采用CAD建立偏振片轮的三维模型。
其中偏振片轮中安装的偏振片尺寸如下：镜片大小为10mm直径，厚度3mm，总共有6个镜片，同时有一个空档，偏振片轮总共有7个工作状态。7个工作状态有一个空档没装偏振片图1所示1号工作状态，其它6个工作状态中，每个工作状态放置有一个偏振片。每个偏振片通过偏振轮绕轮心8转到1号工作状态时，偏振片光轴与竖直方向的夹角根据需要进行放置。
偏振片轮整个要求变形≤3.8×10-3μm。
由偏振片轮上的6个工作状态，其中每个工作状态需放置1个圆形偏振镜片，根据所放偏振镜片，需将偏振片轮做成相应的孔以放置偏振镜片，同时具有装载偏振镜片的刚性。最后偏振片轮上只有一个空档位不需要放入镜子，可直接做成一个让光通过的通孔。根据偏振片轮是绕偏振片轮心8旋转，且轮子上每个工作状态需要转到与1号工作状态相同的几何位置，由以上综合考虑用SOLIDWORKS软件设计出偏振片轮的整体轮廓如图1所示结构，7个工作状态均匀分布在偏振片轮上绕轮心8可旋转，变换其在圆周上的位置。初步结构确定后，偏振片轮的重量为0.036Kg。
步骤(2)、网格划分
将SOLIDWORKS所建的三维模型导入Workbench软件中，选择 ShapeOptimization，然后定义此结构材料为2024-T4，弹性模量 7.24×1010 N/m2，泊松比0.33，密度2.78g/cm3。接下来再进行网格划分，选择分析类型为CFD，然后选择使用六面体网格进行网格划分，检查网格划分结果，使Skewness结果达到9.5以下才能进行后续分析，否则对网格划分进行修改。若网格划分结果Skewness达到 9.5以下，则将轮子的中心孔固定，设定所受力为重力。
步骤(3)、重力变形和应力分析
偏振片轮在转动过程中所受重力变形和应力的两种极端状态是：
A、重力垂直于转轮平面如图5所示，(a)图箭头是重力的方向，轮体的支撑部位是图5中(b)图所示固定所注部位。
设定好偏振片轮受力和支撑后，进入solution插入Total Deformation，对于铝合金材料所受的强度按材料力学第三、四强度理论进行分析，插入Equivalent Stress，然后选择solve就得到偏振片轮变形和应力分布结果。图5中(c)图是偏振片轮的变形图，其中最大变形是红色分布的部分为2.7499×10-6mm。图5中(d)图是偏振片轮的应力分布图，其中最大应力是红色部分0.0090783MPa。
B、重力平行于转轮平面如图6所示，(b)图黄色箭头是重力的方向，轮子的支撑部位是图6中(a)图所示固定所注部位。
设定好偏振片轮受力和支撑后，进入solution插入Total Deformation，再插入Equivalent Stress，然后选择solve就得到偏振片轮变形和应力分布结果。图6中(c)图是偏振片轮的变形图，其中最大变形是红色分布的部分为5.4493×10-7mm。图6中(d)图是偏振片轮的应力分布图，其中最大应力是红色部分0.003444MPa。
偏振片轮在其它不同的工作状态下，所受的重力方向不同，处于图5(a)和图6(b)这两个状态之间，轮子的变形和应力值就处于这两个状态之间。
步骤(4)、拓扑优化
由于偏振片轮上的镜子不能改变结构，所以只能优化偏振片轮装镜子外的其它结构。在Solution中选insert中的Shape finder；Target Reduction选择45％。根据偏振片轮的变形要求和减少偏振轮重量45％的目标，得到的偏振片轮拓扑图如图7，其中红色为在不影响它的结构功能和刚性要求下要去除的部分。
在SOLIDWORKS中将最初的轮子形状按图7分析结果，把红色部分接合实际使用进行删除，得到带镜子的偏振片轮结构如图8中的三维结构。从图8中的三维结构可以看出，7个工作状态绕轮心8均匀分布在偏振片轮上，工作状态同图1不变。图1中偏振片轮结构中间是实心板面同轮心8的联接结构，最外轮廓是一个大圆，经拓扑优化后得出图8中的三维结构，可看出现通过加强筋将轮心8和7个工作状态联接起来，最外轮廓是随着7个工作状态而变化的圆弧，把不必要的材料去除掉了，偏振片轮的重量减少到0.022Kg。
步骤(5)、对拓扑优化后偏振片轮的变形、受力和重量分析，重复步骤(3)和步骤(4)直到得到满意的结构。
对已进行了拓扑优化的结构进行进一步详细的变形分析，检查其是否满足使用要求。将图8中的三维结构导入刚才所建的Workbench 中的Geometry。插入StaticStructural。
在Workbench中设定重力垂直于偏振轮平面，轮心固定，此边界条件同图5的边界条件设定相同。在solution中插入Total Deformation 得到的变形结果如图8所示。从图8可看出偏振片轮的最大变形为红色分布的部分为3.7333×10-6mm，变形≤3.8×10-3μm满足使用要求，同时质量减少了40％。
步骤(6)、多目标遗传算法优化
包括如下步骤：
A、对步骤(5)拓扑优化后所建的SOLIDWORKS中的三维轮体的可变的尺寸：镜室壁厚、轮子筋宽和轮毂的厚度进行参数设定分别为：DS＿d@draw、DS＿t@draw、DS＿t2@draw，如图9所示。
B、再将参数化了的SOLIDWORKS中的三维偏振片轮导入所建的Workbench中ShapeOptimization的Geometry中，打开Geometry，对相应参数旁边的方框进行选择设为输入参数，重量mass旁边的方框进行选择设为目标函数。打开Static Structural中的results选择 deformation旁边的框格设为边界条件。
C、双击Direct Optimizatiom，点击Optimizatiom对输入参数和输出参数进行设定，然后选择优化方法为多目标遗传算法，开始运行程序。
经程序运行得到最优结果是重量0.019Kg。受力图如图10，黄色箭头是重力的方向垂直于偏振片轮平面如图10所示，固定方式也是轮心固定。变形如图11所示，其中最大变形是红色分布的部分为 3.7076×10-6mm。
图12是偏振片轮承受另一种极端受力状态，黄色箭头是重力的方向平行于偏振片轮平面，固定方式也是轮心固定。变形如图13所示，其中最大变形是红色分布的部分为1.0612×10-6mm。
在两种极端受力状态变形量很小，应力相应的也不会很大，铝合金2024-T4的抗拉强度为几百MPa远远大于偏振片轮所受的应力。
由以上优化可看出偏振片轮重量在拓扑优化后0.022Kg基础上又减少了13.6％，使结构在满足要求的前提下更轻。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种结构优化的偏振片轮的设计方法，其特征在于：结构优化的偏振片轮包括若干偏振片容纳单元，单个偏振片容纳单元包括柱形承载部；若干偏振片容纳单元呈环形排列，偏振片容纳单元之间通过带有通孔的柱形承载部连接，若干偏振片容纳单元围绕轮心排布，单个偏振片容纳单元通过筋与轮心连接；所述结构优化的偏振片轮设计方法包括如下步骤：
步骤（1）、初始形状设计
根据偏振片的形状、尺寸和偏振片轮的使用功能对偏振片轮进行初始设计，然后建立偏振片轮的三维模型；初始设计的偏振片轮包括轮体，设于轮体中部的轮心，沿轮体边缘均匀分布的若干带有通孔的偏振片容纳单元柱形承载部，其中一个通孔不设置偏振片容纳单元柱形承载部；偏振片轮变形≤3.8×10-3µm；
步骤（2）、网格划分
将建立的三维模型导入有限元优化软件，进行形状优化，定义结构材料、弹性模量、泊松比和密度，然后进行网格划分，使得网格划分的偏斜值小于9.5；
步骤（3）、重力变形和应力分析
偏振片轮在转动过程中所受重力变形和应力存在两种极端状态：A、重力垂直于偏振片轮平面；B、重力平行于偏振片轮平面；设定好偏振片轮两种极端状态的重力方向，得到偏振片轮两种极端状态下的载荷分布，然后，对于两种极端状态，分别进行变形和应变分析，即得到偏振片轮两种极端状态下的变形和应力分布结果；
步骤（4）、拓扑优化
对偏振片轮结构进行优化，设定偏振片轮的重量减少量；根据步骤（3）中的偏振片轮两种极端状态下的结构分布、变形和应力分析情况，决定是否除去不必要的部分；
步骤（5）、重复步骤（3）和步骤（4）直到得到满意的结构
设定重力垂直于偏振轮平面或平行于偏振轮平面两种极端受力状态，轮心固定，进行静态受力分析；根据变形结果，对偏振片轮重量和结构布局进行简化，此步骤反复进行，最终得到此优化方法下最轻的结构；
步骤（6）、多目标遗传算法优化
包括如下步骤：
步骤A、对步骤（5）拓扑优化后的偏振片轮可变的尺寸进行设定；
步骤B、将参数化了的偏振片轮进行形状优化，设定输入参数、目标函数和边界条件；
步骤C、进行多目标遗传算法优化。
2.根据权利要求1所述的结构优化的偏振片轮的设计方法，其特征在于：相邻两个偏振片容纳单元柱形承载部相交。
3.根据权利要求1所述的结构优化的偏振片轮的设计方法，其特征在于：包括6个偏振片容纳单元，其中，第一个偏振片容纳单元与最后一个偏振片容纳单元之间不接触。
4.根据权利要求1所述的结构优化的偏振片轮的设计方法，其特征在于：步骤（6）所述偏振片轮可变的尺寸为镜室壁厚、轮子筋宽和轮毂厚度。
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