光学玻璃镜片模压成型的温度场及应力场有限元仿真研究

论文摘要

光学玻璃镜片广泛应用于通讯、测量、成像与生产制造领域。近年来，随着市场对于光学玻璃镜片的需求日益增加，模压成型方法作为目前最先进的光学镜片制造技术发展迅速，该方法生产效率高，并可实现精密光学玻璃镜片的大规模生产。在模压成型方法中，温度对镜片成型有重要的影响，应力是衡量镜片质量的关键指标，两者与模具的使用寿命也密切相关。采用传统方法很难测量镜片及模具内部的温度和应力，更无从了解其传热机理和应力历程。为了给工艺的优化提供理论依据，本文对模压成型方法进行了温度场和应力场的有限元仿真。首先，文章在第一章介绍了模压成型方法的背景和基本原理，综述了有限元法和模压成型有限元仿真技术的研究现状，提出了对该方法进行有限元仿真的目的。二章介绍了非线性有限元法，详细阐述了传热学的基本理论和有限元求解。然后，基于MSC.Marc软件，建立了圆柱玻璃平压的轴对称仿真模型。在第三章的温度场计算中，将玻璃热力学参数与温度的非线性关系定义到材料特性中，认为玻璃温度的升高主要来源于模具的固体导热和氮气对流传热。在第四章的应力场计算中，使用广义Maxwell粘弹性应力模型描述高温下玻璃的变形行为，并充分考虑了玻璃与模具之间的摩擦效应。在对计算结果的分析中，讨论了圆柱玻璃内部温度场和应力场的时间变化历程，同时研究了摩擦系数对摩擦力和等效应力的影响。最后，在第五章介绍了非球面光学玻璃透镜非等温模压成型方法。该方法是在保证非球面镜片光学质量的前提下，以延长模具使用寿命和提高生产效率为目的提出的。为了优化工艺，对其进行了热机耦合有限元分析，对比了非等温模压和等温模压的优劣，获得了玻璃与模具的最优温度组合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 符号物理含义表
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 精密光学玻璃镜片制造技术现状
• 1.2.1 材料去除光学制造技术
• 1.2.2 光学玻璃镜片精密模压成型技术
• 1.3 光学玻璃镜片模压成型有限元仿真
• 1.3.1 有限元法概述
• 1.3.2 国内外研究现状
• 1.4 温度场及应力场数值模拟的应用
• 1.5 本课题研究内容及意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 课题来源及研究意义
• 第2章 温度场有限元分析基本理论
• 2.1 非线性有限元法及其求解
• 2.1.1 非线性有限元问题分类
• 2.1.2 非线性有限元法的求解步骤
• 2.2 热量传递基本方式
• 2.3 热传导理论及有限元求解
• 2.3.1 傅立叶定律
• 2.3.2 固体热传导的数学描述
• 2.3.3 热传导问题的有限元求解
• 2.4 对流换热的数学描述
• 2.5 热应力分析
• 2.5.1 热应力分析有限元描述
• 2.5.2 热应变
• 2.6 本章小结
• 第3章 圆柱玻璃等温模压的温度场仿真
• 3.1 MSC.Marc 介绍及其传热有限元分析
• 3.2 光学玻璃材料特性
• 3.2.1 精密模压成型用光学玻璃概述
• 3.2.2 光学玻璃热力学性能
• 3.2.2.1 热膨胀系数
• 3.2.2.2 比热容
• 3.2.2.3 导热系数
• 3.3 几何建模及初始条件
• 3.4 热边界条件
• 3.5 温度场仿真结果分析
• 3.5.1 温度场时间历程分析
• 3.5.2 热膨胀及热应力分析
• 3.6 圆柱毛坯与球形毛坯加热过程仿真对比
• 3.7 本章小结
• 第4章 圆柱玻璃等温模压的应力场仿真
• 4.1 光学玻璃材料本构关系
• 4.2 摩擦边界条件
• 4.3 应力场仿真过程及结果分析
• 4.3.1 应力场时间历程分析
• 4.3.2 玻璃模具接触面摩擦效应分析
• 4.3.2.1 摩擦系数对摩擦力的影响
• 4.3.2.2 摩擦系数对等效应力的影响
• 4.4 圆柱毛坯与球形毛坯模压过程仿真对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 非球面玻璃透镜非等温模压成型仿真
• 5.1 非球面透镜及其模压成型概述
• 5.2 非等温模压成型基本原理
• 5.2.1 非等温模压工艺过程
• 5.2.2 非等温模压相对于等温模压的优势
• 5.3 热机耦合有限元描述与求解
• 5.4 非等温模压成型仿真过程
• 5.5 仿真结果分析
• 5.5.1 温度场分析
• 5.5.2 应力场分析
• 5.5.3 非等温模压和等温模压对比
• 5.5.4 不同温度组合下非等温模压成型分析
• 5.6 圆柱毛坯与球形毛坯非等温模压仿真对比
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士学位期间发表的论文目录）
• 附录 B（攻读硕士学位期间参与的研究课题）