非球面玻璃透镜模压成型应力状态及成型形状的数值模拟与仿真

论文摘要

非球面玻璃透镜在光学领域的应用日益广泛，传统的加工非球面透镜的技术如：磨削、抛光等已不能满足高精度大批量生产的要求。玻璃模压成型技术由于生产效率高、精度高等优点，越来越广泛地应用于非球面透镜的生产制造。虽然玻璃模压成型技术优点突出，但仍然存在一些问题，目前面临的主要问题有：模压成型加工参数的选择，模具形状补偿等。有限元仿真技术能很好的计算模压过程中透镜的应力及形状，从而为选择合适的加工参数和模具补偿提供参考。本文简要介绍了模压成型技术原理，转变温度区域内玻璃的材料模型，得到了模压温度越高应力松弛越快的结论。基于某一非球面透镜的加工过程，采用高级非线性有限元软件MSC.MARC对加热、加压、退火和冷却脱模过程进行了仿真。为了预测该小口径非球面透镜模压加工过程中加热和加压参数，建立了有限元仿真模型，设定了相关的边界条件。研究了D-ZK3玻璃在540℃至590℃加压时的充型情况，得到该玻璃的适宜模压温度在580℃左右。仿真结果表明模压温度越高，残余应力越小，模压温度为580℃时的最小加热时间为155s左右。通过分析不同加压速率下的透镜残余应力分布，得到了加压速率越快残余应力越大的结论。在退火和冷却脱模阶段，主要研究了脱模瞬间的应力突然降低的现象。分析了整个加工过程中透镜的残余应力分布，指出残余应力最大值出现在加压阶段合模瞬间。讨论了不同加工参数下的残余应力分布规律，分析了摩擦系数对透镜残余应力的影响。预测了不同模压温度和不同退火速率下的最小退火时间。最后本文对冷却脱模后的透镜形状进行了预测，并通过变化单一的加工参数研究了加工参数对透镜上下非球面形状的影响。得到了模压温度越高，偏差越小；加压速率越大，偏差越大；退火速率对偏差大小影响不大；退火保持力越大，偏差越小等结论。讨论了摩擦系数对上下非球面形状的影响，指出摩擦系数越小，形状偏差也越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 物理符号含义对照表
• 插图索引
• 插表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 传统非球面透镜的加工方法
• 1.3 非球面透镜模压成型技术
• 1.3.1 模压成型技术简介
• 1.3.2 模压成型关键技术
• 1.3.3 玻璃模压成型技术的应用
• 1.4 有限元仿真在非球面透镜模压成型中的应用
• 1.5 本文主要研究内容及难点
• 第2章 黏弹性玻璃应力松弛理论及有限元仿真
• 2.1 黏弹性应力松弛基本理论
• 2.1.1 高温玻璃黏度
• 2.1.2 高温玻璃黏弹性
• 2.1.3 高温玻璃应力松弛模型
• 2.2 线性黏弹性
• 2.3 圆柱玻璃应力松弛有限元仿真
• 2.3.1 材料特性
• 2.3.2 边界条件
• 2.3.3 结果分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 加热加压过程仿真
• 3.1 简易热流变
• 3.2 模压过程热量传递
• 3.3 模具与玻璃摩擦力
• 3.4 加热加压过程仿真
• 3.4.1 几何模型
• 3.4.2 材料参数
• 3.4.4 模压温度的确定
• 3.4.5 最小加热时间的确定
• 3.4.6 加压速率与残余应力关系
• 3.4.7 摩擦系数与残余应力关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 退火冷却过程有限元仿真
• 4.1 结构松弛理论简介
• 4.2 退火有限元分析
• 4.2.1 退火有限元模型
• 4.2.2 结构松弛参数
• 4.2.3 退火时间预测
• 4.2.4 模压温度对退火残余应力影响
• 4.2.5 加压速率对退火残余应力影响
• 4.2.6 退火保持力对退火残余应力影响
• 4.2.7 退火速率对退火残余应力影响
• 4.2.8 摩擦系数对退火残余应力影响
• 4.3 冷却过程有限元分析
• 4.3.1 冷却有限元模型
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 整个模压过程应力历程
• 4.5 本章小结
• 第5章 非球面透镜模压成型形状预测
• 5.1 模压成型形状预测的方法及意义
• 5.2 有限元仿真模型
• 5.3 有限元仿真结果
• 5.3.1 模压温度对形状的影响
• 5.3.2 加压速率对形状的影响
• 5.3.3 退火速率对形状的影响
• 5.3.4 退火保持力对形状的影响
• 5.3.5 摩擦系数对形状的影响
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 1. 论文主要结论
• 2. 论文主要创新点
• 3. 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间发表的论文
• 附录 B 攻读学位期间参与的研究课题