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激光惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF)是当今国际的前沿研究领域,对于开拓下世纪的新能源有着极其深远的科学研究意义和应用价值。ICF高功率激光驱动器装置是一个大型的精密光学机械系统,随着高功率激光驱动器的不断发展,其结构越来越复杂,朝着大型化,模块化和精密化的方向发展,保证光束指向性(打靶精度)不再是简单的调整问题,而是在结构设计和工程实施上必须全面考虑。驱动器中光学单元器件的稳定性研究对保障光束指向性起着不可估量的作用,对提高装置性能和提高性能价格比也发挥着巨大的作用。
影响激光打靶精度的因素主要包括结构振动、热应力和偶然误差等,其中由外界随机干扰因素引起的结构振动是影响激光打靶精度的最主要因素。因此,寻求一种准确、有效的结构稳定性研究方法以及提高结构稳定性的有效措施成为高功率激光驱动装置中结构稳定性研究亟待解决的问题。本文针对神光Ⅱ升级装置中靶场单元结构--ICF靶室系统、靶场桁架系统和大口径反射镜系统,引入基于有限元理论的数值模拟方法开展了结构稳定性的研究,并根据结构稳定性的基本理论,提出了各靶场单元结构的稳定性解决方案。
首先,本文详细地阐述了结构稳定性的基本理论,提出了影响结构稳定性的几个重要结构特性参数,并给出了提高结构稳定性的解决方案。另外,针对神光Ⅱ升级装置的工作特点,详细地阐述了影响打靶精度的主要因素。
其次,本文应用有限元分析方法对ICF靶室系统进行了模态分析,找出了ICF靶室系统的薄弱环节,并针对薄弱环节进行了结构稳定性方面的研究,分析了ICF靶室壁厚、支撑脚安装角度和加强筋空间位置参数与固有频率之间的变化规律,根据变化规律找出了优化参数值;分析了增加系统的阻尼特性对结构稳定性能的影响,最后根据神光Ⅱ升级装置对ICF靶室系统中打靶透镜的动态稳定性要求,给出了ICF靶室系统的稳定性方案。
第三,本文应用有限元方法对靶场桁架系统进行了模态分析,找出了靶场桁架系统的薄弱环节,并针对薄弱环节进行了结构稳定性方面的研究,给出了提高靶场桁架系统结构稳定性的几点措施,并分析了靶场桁架系统中加强筋的空间安装位置参数与固有频率之间的变化规律,根据变化规律找出了优化参数值。最后根据靶场桁架系统的目标固有频率值,给出了靶场桁架系统的稳定性方案。
第四,本文以大口径反射镜系统为研究对象,找出了其薄弱环节为十字片簧,分析了十字片簧各尺寸参数与大口径反射镜系统的固有频率之间的变化规律,并根据大口径反射镜系统的目标固有频率确定了满足稳定性条件的尺寸参数组合。
最后,应用概率理论分析了靶场结构耦合系统中靶点漂移随机误差与各光学元件随机误差之间的关系,并应用有限元方法对两者的关系进行数值模拟,从而验证了靶场结构耦合系统随机误差理论分析的可靠性。
本论文的工作为神光Ⅱ升级装置的结构稳定性研究提供了一种有效的分析手段,并给出了提高结构稳定性的有效措施,所得的具体研究结果对于神光Ⅱ升级装置的结构稳定性设计有着直接的参考意义。