过渡段振动分析与改进

过渡段振动分析与改进

在运行过程中，高光刻仪的光腔压力相对较低，通常为5321.33pa1。为了排出光腔内的废气采用引射式压力恢复系统代替传统的真空罐［2］,通过提高激光器尾气的压力,使之顺利排入大气,从而保持光腔内的正常流动［3］。压力恢复系统主要包括气源、引射器、主动扩压器和两者之间的过渡段。系统振动是激光器出光质量的重要影响因素之一,国内相关研究主要集中在主动扩压器的气动设计及数值模拟上［4－6］,刘宗政［7］对系统振动进行研究,设计一种压力恢复系统支座减振器,制作了橡胶块与金属弹簧并联,加配重45.2kg的减振器,减振效果较好。但从减振出发对系统进行结构优化的研究较少。文中以激光器出光试验中所使用的过渡段为研究对象,采用仿真和试验检验其振动情况,并在此基础上提出了结构改进设计方案,最后通过数值计算验证了新结构的优越性。1圆口端引射器方口端连接过渡段是一个方口变圆口的管道,如图1所示方口尺寸为240mm×184mm,圆口端直径为300mm,壁厚为6mm,制造材料为45钢。圆口端连接引射器方口端连接主动扩压器。利用MSC.Patran/Nastran对过渡段进行有限元分析,使用四面体单元Tet10对实体进行网格划分,共57292个单元,114362个节点,选取弹性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3。1.1过渡段压力对过渡段进行静力学分析,载荷为其所受到的最大压力,分析过渡段在静载下的应力和变形。过渡段在工作过程中,内部压力最小为665Pa,此时外部为一个标准大气压,内外压力差即为过渡段所受到的压力。静力学分析的工况为两端固定,管道内部施加压力P=100635Pa。结果显示:最大变形为0.162mm,出现在靠近方口上部,如图2所示;最大应力为44MPa出现在靠近方口的两面拐角处,如图3所示。静力学分析结果表明,在最大静载作用下,过渡段的变形较小,最大应力44MPa小于许用应力177.5MPa,设计满足静力学要求。1.2振型，确定使用静力学分析中的网格对过渡段进行模态分析,边界条件为两端固定。分析得到前两阶固有频率和固有振型,如图4和图5所示。由图4和图5可知,前两阶固有频率分别为402.11Hz和561.46Hz,从固有振型上可以看出,变形较大点均集中在靠近方口的薄壁上,前两阶固有振型和静力学分析中变形结果吻合,均表现为方口端薄壁竖直方向振动较大,可知前两阶固有振型对变形影响较大。2静力学特性分析为了解过渡段具体振动情况,明确下一步的改进方向,对过渡段进行振动测试。试验为激光器出光试验,传感器采用通用振动IEPE型加速度传感器CA-YD-1160,最大量程为5g;前端采集设备为LMS公司的SCM-V8-E;分析软件为LMSTest.Lab,试验使用SpectralTesting模块。测试前准备边长为12mm的正方体铝块,铝块粘在过渡段静力学分析结果中变形较大的位置,3个加速度传感器通过绝缘垫片粘在铝块上,分别测试3个方向的振动情况。随机振动不能用时间的确定性函数来描述,在数学上只能用统计的方法进行研究［8］。利用式(1)求解测试结果的时域有效值RMS,由Test.lab自动计算生成频域加速度响应谱［9］。分析结果如图6所示。式中:T———测试时间;x(t)———振动加速度信号采集值。图6中,试验时间约从2~24s。由图6a加速度时域图可以看出,Z方向的加速度有效值为1.0527g,约为X,Y方向有效值10倍。在任意时刻,Z方向幅值均大于其他两个方向幅值,与有限元分析变形结果一致。由于Z方向上振动过大,影响激光器的出光质量,且容易导致过渡段的疲劳损伤,需要进行结构优化,改变其固有振型,从而改善过渡段的振动。由图6d加速度响应谱可以看出,Z方向的振动主要集中在400~480Hz,其他两个方向在此范围内亦有较大的振动,与有限元分析得到的前两阶固有频率较为接近,说明过渡段固有频率偏低,接近振源的频率,故应改进结构,使固有频率避开或远离此频率范围。3加强筋垂直交叉布置由有限元分析和振动测试结果可以看出,过渡段靠近方口上部的薄壁Z方向变形较大,可以通过加强筋来增加局部刚度。加强筋布置如图7所示,轴向加强筋圆周等角度均布,共6个,径向加强筋靠近方口端,等距分布,共4个,加强筋焊接在过渡段外壁。仿真分析发现,单独的轴向或径向加强筋对提高过渡段固有频率和改变固有振型并不明显,故改进方案采用轴向和径向加强筋垂直交叉布置方式。由前面分析和测试结果可知,最大变形和最大应力均出现在靠近方口端的部位,故加强筋应主要布置靠近方口端。最终改进方案的模型如图7所示。3.1反应时间的改进对改进后的过渡段进行静力学分析,分析设置与1.1节相同。图8和图9分别为静力分析变形云图和应力云图。由图8和图9可以看出,改进后最大变形为0.0258mm,出现在中部管壁上,比改进前减少84.07%,显著改善过渡段管道的变形。最大应力为19.7MPa,出现在加强筋和过渡段焊接处,比改进前减少55.23%,应力分布较为均匀,管道上没有出现明显的应力集中现象。3.2前两阶固有频率对改进后的过渡段进行模态分析,图10和图11分别为前两阶模态分析结果,前两阶固有频率分别为768.16Hz和859.09Hz,与改进前相比,前两阶固有频率明显提高,远离振动能量主要集中的400~480Hz这一频率区间。改进后的固有振型最大特征值变形靠近圆口端,远离方口端连接的主动扩压器,且最大变形处均布置加强筋,提高局部刚度,减小振动幅度。4加强筋过渡段过渡段连接引射器和主动扩压器,其振动对主动扩压器和激光器光腔造成较大影响。采用仿真和试验对现有的过渡段进行分析和测试,在此基础上确定结构改进方向。采用加强筋改进过渡段,通过有限元分析,验证改进后的过渡段完全符合预期目标。过渡段的改进主要体现在两个方面:(1)静力学分析表明:改进后的过