過渡段振動分析與改進

在運行過程中，高光刻儀的光腔壓力相對較低，通常為5321.33pa1。為了排出光腔內的廢氣采用引射式壓力恢復系統代替傳統的真空罐［2］,通過提高激光器尾氣的壓力,使之順利排入大氣,從而保持光腔內的正常流動［3］。壓力恢復系統主要包括氣源、引射器、主動擴壓器和兩者之間的過渡段。系統振動是激光器出光質量的重要影響因素之一,國內相關研究主要集中在主動擴壓器的氣動設計及數值模擬上［4－6］,劉宗政［7］對系統振動進行研究,設計一種壓力恢復系統支座減振器,制作了橡膠塊與金屬彈簧并聯,加配重45.2kg的減振器,減振效果較好。但從減振出發對系統進行結構優化的研究較少。文中以激光器出光試驗中所使用的過渡段為研究對象,采用仿真和試驗檢驗其振動情況,并在此基礎上提出了結構改進設計方案,最后通過數值計算驗證了新結構的優越性。1圓口端引射器方口端連接過渡段是一個方口變圓口的管道,如圖1所示方口尺寸為240mm×184mm,圓口端直徑為300mm,壁厚為6mm,制造材料為45鋼。圓口端連接引射器方口端連接主動擴壓器。利用MSC.Patran/Nastran對過渡段進行有限元分析,使用四面體單元Tet10對實體進行網格劃分,共57292個單元,114362個節點,選取彈性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3。1.1過渡段壓力對過渡段進行靜力學分析,載荷為其所受到的最大壓力,分析過渡段在靜載下的應力和變形。過渡段在工作過程中,內部壓力最小為665Pa,此時外部為一個標準大氣壓,內外壓力差即為過渡段所受到的壓力。靜力學分析的工況為兩端固定,管道內部施加壓力P=100635Pa。結果顯示:最大變形為0.162mm,出現在靠近方口上部,如圖2所示;最大應力為44MPa出現在靠近方口的兩面拐角處,如圖3所示。靜力學分析結果表明,在最大靜載作用下,過渡段的變形較小,最大應力44MPa小于許用應力177.5MPa,設計滿足靜力學要求。1.2振型，確定使用靜力學分析中的網格對過渡段進行模態分析,邊界條件為兩端固定。分析得到前兩階固有頻率和固有振型,如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知,前兩階固有頻率分別為402.11Hz和561.46Hz,從固有振型上可以看出,變形較大點均集中在靠近方口的薄壁上,前兩階固有振型和靜力學分析中變形結果吻合,均表現為方口端薄壁豎直方向振動較大,可知前兩階固有振型對變形影響較大。2靜力學特性分析為了解過渡段具體振動情況,明確下一步的改進方向,對過渡段進行振動測試。試驗為激光器出光試驗,傳感器采用通用振動IEPE型加速度傳感器CA-YD-1160,最大量程為5g;前端采集設備為LMS公司的SCM-V8-E;分析軟件為LMSTest.Lab,試驗使用SpectralTesting模塊。測試前準備邊長為12mm的正方體鋁塊,鋁塊粘在過渡段靜力學分析結果中變形較大的位置,3個加速度傳感器通過絕緣墊片粘在鋁塊上,分別測試3個方向的振動情況。隨機振動不能用時間的確定性函數來描述,在數學上只能用統計的方法進行研究［8］。利用式(1)求解測試結果的時域有效值RMS,由Test.lab自動計算生成頻域加速度響應譜［9］。分析結果如圖6所示。式中:T———測試時間;x(t)———振動加速度信號采集值。圖6中,試驗時間約從2~24s。由圖6a加速度時域圖可以看出,Z方向的加速度有效值為1.0527g,約為X,Y方向有效值10倍。在任意時刻,Z方向幅值均大于其他兩個方向幅值,與有限元分析變形結果一致。由于Z方向上振動過大,影響激光器的出光質量,且容易導致過渡段的疲勞損傷,需要進行結構優化,改變其固有振型,從而改善過渡段的振動。由圖6d加速度響應譜可以看出,Z方向的振動主要集中在400~480Hz,其他兩個方向在此范圍內亦有較大的振動,與有限元分析得到的前兩階固有頻率較為接近,說明過渡段固有頻率偏低,接近振源的頻率,故應改進結構,使固有頻率避開或遠離此頻率范圍。3加強筋垂直交叉布置由有限元分析和振動測試結果可以看出,過渡段靠近方口上部的薄壁Z方向變形較大,可以通過加強筋來增加局部剛度。加強筋布置如圖7所示,軸向加強筋圓周等角度均布,共6個,徑向加強筋靠近方口端,等距分布,共4個,加強筋焊接在過渡段外壁。仿真分析發現,單獨的軸向或徑向加強筋對提高過渡段固有頻率和改變固有振型并不明顯,故改進方案采用軸向和徑向加強筋垂直交叉布置方式。由前面分析和測試結果可知,最大變形和最大應力均出現在靠近方口端的部位,故加強筋應主要布置靠近方口端。最終改進方案的模型如圖7所示。3.1反應時間的改進對改進后的過渡段進行靜力學分析,分析設置與1.1節相同。圖8和圖9分別為靜力分析變形云圖和應力云圖。由圖8和圖9可以看出,改進后最大變形為0.0258mm,出現在中部管壁上,比改進前減少84.07%,顯著改善過渡段管道的變形。最大應力為19.7MPa,出現在加強筋和過渡段焊接處,比改進前減少55.23%,應力分布較為均勻,管道上沒有出現明顯的應力集中現象。3.2前兩階固有頻率對改進后的過渡段進行模態分析,圖10和圖11分別為前兩階模態分析結果,前兩階固有頻率分別為768.16Hz和859.09Hz,與改進前相比,前兩階固有頻率明顯提高,遠離振動能量主要集中的400~480Hz這一頻率區間。改進后的固有振型最大特征值變形靠近圓口端,遠離方口端連接的主動擴壓器,且最大變形處均布置加強筋,提高局部剛度,減小振動幅度。4加強筋過渡段過渡段連接引射器和主動擴壓器,其振動對主動擴壓器和激光器光腔造成較大影響。采用仿真和試驗對現有的過渡段進行分析和測試,在此基礎上確定結構改進方向。采用加強筋改進過渡段,通過有限元分析,驗證改進后的過渡段完全符合預期目標。過渡段的改進主要體現在兩個方面:(1)靜力學分析表明:改進后的過