磁流变抛光入口区域剪切力场形成机制数值分析

平面光学元件的浸入深度、凸球面光学元件的浸入深度、凸球面光学元件的曲率半径不同会使磁流变抛光入口区域剪切力场发生变化.为了研究磁流变抛光入口区域剪切力场的形成机制,建立磁流变抛光过程中必要的流体模型,对入口区域的几何特征进行分析;通过数值计算平面光学元件不同浸入深度、凸球面光学元件不同浸入深度、凸球面光学元件不同曲率半...     

基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术

 为解决强激光系统中大口径光学元件抛光面形精度收敛困难的问题,提出了一种基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术。利用独特的抛光垫修整技术,将抛光垫表面修整成特定形状,使工件与抛光垫的接触面产生不均匀的压力分布,并结合精确的抛光转速控制,以加快工件面形精度的收敛速度。实验结果表明,将抛光垫修整成微凸面形,可以有效避免抛光中元件过早塌边问题,能将大口径平面元件的初抛时间从数天缩短到6 h以内,元件面形精度提高到1个波长左右。     

大口径光学元件磁流变抛光工艺软件设计

 基于磁流变抛光机理,采用简森-范锡图特法求解驻留时间函数以确定磁流变抛光工艺软件的核心算法设计,开展工艺软件全过程模块化、流程化设计,进行功能模块测试。软件开发过程中兼顾各功能模块间关系耦合,并完成工艺软件的代码集成测试。开展500 mm口径的微晶平面反射镜的验证实验,结果表明元件面形值获得快速有效收敛。证实了所设计的工艺软件能够精准地指导大口径光学元件的磁流变加工。     

基于梯度聚类离散思想的磁流变抛光自适应轨迹

针对磁流变抛光过程中抛光轨迹会引入迭代误差的问题,设计了步长和行距随光学表面梯度自适应变化的光栅线抛光轨迹。首先根据光学元件的表面误差分布,利用标准五点法获得面形各点的梯度值,再基于聚类离散思想将所有面形点根据梯度值大小进行了归类,从而得到轨迹步长和行距随面形误差变化的自适应轨迹。在自研的磁流变加工机床上进行了实验研究,将一块直径50mm的微晶玻璃,从峰谷值为65nm、均方根值为12nm收敛到峰谷值为21nm、均方根值为2.5nm,并且在加工后的表面功率谱密度曲线上没有出现明显的尖峰误差。实验结果表明,这种自适应轨迹能有效抑制中高频误差。     

多磨头数控抛光对大口径离轴抛物面镜中频误差的抑制

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响,针对该问题,提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术,用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析,并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟,对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明:采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差,加工的两件?460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%,达到2.835 nm,并且PV小于0.16λ(632.8 nm),RMS小于0.02λ。     

超薄光学元件精密加工关键技术

针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点,提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差;在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛;在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm,厚度6.35 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明:在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平,最终的面形精度为PV=25 nm,RMS=1.5 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。     

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

为了充分掌握磁流变抛光中磁场强度、浸入深度、抛光轮转速、磁流变液水分含量等工艺参数对抛光结果的影响规律,以期提高元件的面形精度和表面的质量,在研究了磁流变抛光材料的去除数学模型的基础上,结合实验室的PKC100-P1型抛光设备,对上述的关键工艺参数分别进行了研究,设置了一系列的实验参数,进行了详细的实验探索,分析了单因素条件下材料的去除量以及元件表面质量同关键工艺参数的内在联系,得出了相应影响关系曲线。从关系曲线表明:工艺参数对抛光斑的去除效率以及被加工元件表面质量存在着明显的影响规律,掌握这些影响关系就能用于分析和优化磁流变加工的结果,为高精度光学表面的加工提供可靠的保障,同时实验的结果也很好地验证了磁流变抛光材料去除理论的正确性。     

光学元件干涉检测数据的定位处理方法

在光学元件的抛光阶段,通常采用干涉仪对光学元件的面形数据进行检测,为进一步的加工工作提供指导意见.为了利用干涉仪检测数据给出被测光学元件面形上的各点空间坐标准确位置,对面形数据的原始数据做二值化处理,用Sobel算子采用基于边缘检测的方法准确提取光学元件的外形轮廓数据,采用基于半径约束的最小二乘拟合方法对被测光学元件的内、外圆边缘数据进行多次处理,求取内、外圆的圆心位置,半径大小,根据等准确度测量原则获得光学元件面形数据的准确值,为在干涉仪检测所得面形数据上准确建立坐标系提供依据.     

磁流变抛光材料去除的研究

磁流变抛光是近十年来的一种新兴的先进光学制造技术 ,它利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性“小磨头”进行抛光。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。首先简要阐述了磁流变抛光的抛光机理 ,然后利用标准磁流变抛光液进行抛光实验。研究了磁流变抛光中几种主要工艺参数对抛光区的大小和形状以及材料去除率的影响情况。最后给出了磁流变抛光材料去除的规律。     

大口径光学元件磁流变加工驻留时间求解算法

为了解决大口径光学元件磁流变高精度加工问题,基于矩阵运算模型,提出了SBB(Subspace Barzilai and Borwein)最小非负二乘与自适应Tikhonov正则化相结合的驻留时间快速求解方法。同时,在一次收敛中采用双去除函数优化螺旋线轨迹下光学元件的加工,保证中心区域与全口径面形精度一致。仿真表明该算法与常用Lawson-Hanson最小非负二乘法相比,计算精度一致且求解效率大幅提高。对Φ600mm以彗差为主的光学表面模拟加工,峰谷(PV)值和均方根(RMS)值从初始的2.712λ与0.461λ中心区域全局一致收敛到0.306λ和0.0199λ(λ=632.8nm)。因此,提出的算法能够在有效保证面形收敛精度的同时快速获得稳定可靠的驻留时间分布,为磁流变抛光应用于大口径光学元件提供有力支持。     

基于Christopherson迭代的超精密加工流场分析方法

随着特种超精密加工技术的发展,复杂流体被越来越多地用于超精密加工工艺中。超精密加工流场分析具有几何特征复杂、流体本构特性多样、流体边界为自有边界等特点,传统流体数值分析方法难以实现可靠分析。从流体的一般特性出发,将D. G. Christopherson提出的非负二阶偏微分系统的超松弛迭代方法用于超精密加工流场分析,建立了适应性与可靠性兼顾的流场分析方法。以磁流变抛光为例,开展了抛光区域压力场数值计算,结果表明所得压力分布形态正确,且分布从x轴正半轴延伸到负半轴,与郑立功等人的实验测定结果一致。另外,基于Kistler力传感器对磁流变抛光过程的法向压力在0.1~0.3 mm浸深段进行了在位测量,发现计算与实验结果偏差均小于20%。表明了该方法的有效性与准确性。     

内凹面磁流变槽路抛光方法的研究

针对高陡度非球面光学元件的内凹面抛光难题,提出了一种内凹面磁流变槽路抛光方法。设计与待加工内凹面形状匹配的凸模,并在凸模上开出供磁流变液循环通过的槽路,当磁流变液经过设有磁场的区域时发生流变作用形成柔性抛光磨头对内凹面产生材料去除作用。通过工件的旋转和外部磁极的移动完成对整个内凹面的抛光加工。建立了实验平台并开展了相关初步实验和分析。结果表明该方法能够适应内凹面抛光加工的需要,可获得较高表面质量,具有一定的可行性和应用潜力。     

磁流变抛光数学模型的建立

介绍了近年来的一种新兴的光学加工技术———磁流变抛光 (MRF)。以Preston方程为依据建立了这种抛光方法的数学模型。利用该数学模型详细分析了被加工工件表面材料去除率与压力参数P成正比的关系 ,指出了工件表面所受的压力P主要是由流体动压力Pd 和磁化压力Pm 两部分组成的。以用磁流变抛光方法加工凸球面工件为例 ,具体推导出流体动压力Pd 和磁化压力Pm 的数学表达式 ,并通过实验对压力P的数学表达式及抛光模型的合理性进行了验证。     

基于微分几何的矩形照度分布自由曲面反射器设计

在LED照明应用中为实现矩形均匀照度分布要求,提出了一种基于一阶线性偏微分方程的自由曲面反射器设计方法。基于微分几何理论和折射定律描述了光线与自由曲面的相互作用。根据LED光源特性建立了朗伯光源与矩形被照面之间的能量拓扑关系,推导了自由曲面反射器的一阶线性偏微分方程和边界条件。分别使用Runge-Kutta法和有限差分法对边界条件和偏微分方程进行数值计算,并对计算结果进行光线追迹仿真。仿真结果表明自由曲面反射器光通利用率达到了94%,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。程序计算时间少于1s。     

磁流变技术研究及其在光学加工中的应用

介绍了磁流变技术的基本原理及其应用。利用磁流变液在磁场作用下形成的高剪切应力,可以利用磁场形成可变硬度的磁流变液对光学零件进行可控的抛光加工。美国Rochester大学率先进行了应用磁流变液对光学零件进行抛光方面的研究。磁流变抛光获得的表面具有纳米级表面粗糙度。     

钝锥绕流流动稳定性分析与转捩预报

研究了超音速钝锥绕流的稳定性和转捩点预报的数值计算方法,首先采用Euler方程求解钝锥绕流基本流场,用所得到的物面压力分布作为粘性边界层的外缘压力分布,给出了基本流场的初值;然后应用反迭代法与边界层渐近匹配的方法求解了钝锥边界层的稳定性方程,得到了钝锥边界层转捩数据.该方法可提高计算精度,节约计算时间.     

一种磁流变抛光方法的探讨

探讨了一种进行磁流变抛光的方法,针对该方法的运动方式进行了磁流变抛光过程中相对速度和驻留时间的计算,并模拟了相对速度与工件口径、相对速度和时间乘积与工件口径的关系曲线。在理论分析的基础上,进行了相应的工艺实验,分析了该磁流变抛光方法的去除特性,并对中心区域去除特性的不同原因进行了探讨。实验结果研究表明：采用该方法能够实现光学零件除中心区域外的均匀去除。     

磁流变液构成的类梯度结构振动传递特性

提出了一种磁流变液构成的类梯度结构,并通过理论建模、数值计算和实验研究了该结构的振动传递特性.磁流变液在磁场作用下具有液固转换的特殊理化性质,而液固转换过程就是磁流变液的振动传递阻抗变化过程.因此,基于磁流变液的这一特性,通过控制磁场,构建了类梯度结构.基于弹性波传递的一维波动方程,建立了垂直入射的弹性波在类梯度结构中传递的波动方程.然后,使用连续介质的离散化方法和传递矩阵法进行求解,得到振级落差的表达式,对其进行数值计算,分析类梯度结构的振级落差随弹性波频率和磁场强度的变化趋势.最后,对类梯度结构的振动传递特性进行了实验研究,分析了磁场强度对类梯度结构振动传递特性的影响.研究结果表明,与均匀场作用的磁流变液相比,类梯度结构对弹性波的衰减效果更好,且该结构具备良好的可调控特性.     

Direct numerical simulation of scalar transport using unstructured finite-volume schemes

An unstructured finite-volume method for direct and large-eddy simulations of scalar transport in complex geometries is presented and investigated. The numerical technique is based on a three-level fully implicit time advancement scheme and central spatial interpolation operators. The scalar variable at cell faces is obtained by a symmetric central interpolation scheme, which is formally first-order accurate, or by further employing a high-order correction term which leads to formal second-order accuracy irrespective of the underlying grid. In this framework, deferred-correction and slope-limiter techniques are introduced in order to avoid numerical instabilities in the resulting algebraic transport equation. The accuracy and robustness of the code are initially evaluated by means of basic numerical experiments where the flow field is assigned a priori. A direct numerical simulation of turbulent scalar transport in a channel flow is finally performed to validate the numerical technique against a numerical dataset established by a spectral method. In spite of the linear character of the scalar transport equation, the computed statistics and spectra of the scalar field are found to be significantly affected by the spectral-properties of interpolation schemes. Although the results show an improved spectral-resolution and greater spatial-accuracy for the high-order operator in the analysis of basic scalar transport problems, the low-order central scheme is found superior for high-fidelity simulations of turbulent scalar transport.