레이저 미러 조립체의 설계 및 해석

Atomic Weapons Establishment에서 설계한 고에너지 레이저 시설은 첨단 재료 연구를 위한 도구를 제공합니다. AWE의 엔지니어들은 LUSAS Analyst를 사용하여 시설에서 사용되는 레이저 미러 조립체의 설계를 최적화하는 데 도움을 주었습니다.

미러 조립체 세부 정보

각 컴퓨터 제어 미러 조립체는 400mm x 400mm 레이저 빔을 목표 영역으로 방향을 설정합니다. 미러는 250m 긴 빔 경로의 목표 지점에서 정확도 50µm를 달성하기 위해 사용하는 동안 평면과 안정성을 유지해야 합니다. 이를 달성하기 위해 각 425mm x 425mm x 10mm 두께의 석영 미러는 70mm 두께의 합성 세라믹 폼 블록(Patent application number GB9701519.2)에 접착되어 장착판에 부착됩니다. 세 개의 높이 조정 장치는 레이저 시설의 70,000톤 콘크리트 구조에 고정되어 최적의 지지 위치에 장착된 3개의 플렉시 교차 경첩을 통해 장착판을 지탱합니다.

미러 조립체의 모든 구성 요소는 개별적으로 모델링되었으며, 전체 84세트의 슬라이드 라인을 사용하여 연결되었습니다. 슬라이드 라인은 접촉하는 표면에 대해 별도의 비일치 메시를 사용할 수 있도록 합니다. 슬라이드 라인을 사용하면 광범위한 리메싱 없이 부품의 리모델링이나 이동이 가능하며, 설계 변경에 맞게 인터페이스 조건을 쉽게 변경할 수 있습니다. 총 10개의 서로 다른 재료로 61개의 모델 구성 요소가 정의되어 총 모델 크기는 4000 요소에 달했습니다.

설계 고려 사항

피칭 진동 모드는 이 해석에서 주요 관심 사항이었으며, 이는 목표 정확도에 가장 큰 영향을 미쳤습니다. 헤이브, 스웨이 및 비틀림 모드는 목표 정확도에 영향을 미치지 않았습니다. 가장 낮은 주파수 모드를 위한 설계 목표는 10Hz로 설정되었습니다. 일련의 해석이 수행되어 초기 미러 조립체 모델의 가능한 개선점을 조사했습니다.

초기 미러 모델

초기 미러 모델에 대한 고유 주파수 해석 결과 가장 낮은 진동 모드는 23.2Hz의 비틀림 모드였으며, 두 번째 모드는 29.9Hz의 피칭 모드로 나타났습니다. 측면 판의 각도를 조정하고, 장착판을 강화하며, 높이 조정 장치의 방향을 변경하는 등의 조사가 피칭 및 비틀림 모드를 상승시켰습니다.

초기 미러 조립체	최종 미러 조립체

수정된 미러 모델

초기 결과를 바탕으로 미러 장착판이 강성을 증가시키고 질량을 줄이기 위해 재설계되었습니다. 높이 조정 장치도 재배치되었습니다. 그 결과, 수정된 설계의 모드 해석에서 가장 낮은 고유 주파수가 76.7Hz로 상당히 증가했으며, 160Hz 이하에서는 중요한 피칭 모드가 발생하지 않았습니다. 이 모델에서 최대 조정이 +/- 0.75mm이고 1g 수직 가속도인 상태에서 미러 평면도에 대한 영향을 조사하기 위한 하중 해석이 수행되었습니다. 레이저 엔지니어들에 의해 설정된 최대 설계 정상 변위 목표는 0.25µm였습니다. 장착판 두께, 미러 백킹 및 플렉시 경첩의 특성을 줄이는 것을 조사함으로써 수정된 최종 미러 조립체 설계가 달성되었습니다.

최종 미러 모델 최종 미러 조립체 설계의 가장 낮은 피칭 모드는 50.6Hz와 54.2Hz로 나타났으며, 이는 목표 최소값을 훨씬 초과합니다. 주파수는 장착판의 강성 감소와 플렉시 교차 경첩의 수정으로 인해 최적에서 감소했습니다. 최종 미러 조립체 모델은 1E-10g/Hz의 지상 자극을 받았을 때 미러 표면이 어떻게 반응하는지를 규명하기 위해 해석되었습니다. 1Hz에서 200Hz까지의 모든 세 방향에 대해 미러 표면의 정상 전력 스펙트럼 밀도 변위 반응이 LUSAS Graphics를 사용하여 계산되었으며, 결과적인 변위가 플로팅되었습니다. 결론 LUSAS Analyst를 사용함으로써 미러 표면의 평탄도를 개선하는 데 상당한 향상을 이루었으며, 최적의 조정 장치 조립 위치 및 방향, 전체 강성 증가, 전체 중량 감소 및 조정의 영향을 감소시킬 수 있었습니다. 예상 변형 패턴 및 그 크기에 대한 추정은 레이저 엔지니어들이 그들의 설계를 이해하고 개선하는 데 도움을 주었습니다. 이 해석에 사용된 모델과 기법은 AWE가 레이저 미러 조립체의 추가 개발을 위한 기초를 제공하고 유사 장비에 대한 해석 지침을 제공하는 데 도움이 될 것입니다.

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