非球面光学玻璃透镜超精密模压成形数值模拟

论文摘要

非球面玻璃透镜的加工是先进光学制造领域的难题，也是衡量一个国家制造业发展水平的重要标志。随着光学设备的普及以及人们对光学设备性能要求的提高，市场上对高精度的非球面玻璃透镜的需求急剧升高。传统的非球面玻璃透镜的加工方法具有加工周期长、加工成本高、不适宜大批量生产等缺点。玻璃模压成形技术是一种新的加工技术，它不仅能获得较高的精度，还能克服传统加工方法的不足。目前，模压成形技术，依然存在许多难题亟待解决。正是这些技术方面的难题，阻碍了将此项技术的大规模应用。因此，对这些技术难题的研究，对于推广玻璃模压成形技术的工程应用，缩短玻璃透镜的开发周期，节约开发和制造成本有着重要的理论和实际意义。本文在文献综述的基础上，对玻璃模压成形技术的研究现状进行了初步的分析，针对目前模压成形技术的难题，采用非线性有限元软件MSC.Marc，对两种不同口径的非球面玻璃透镜模压成形过程进行了数值模拟分析。主要研究内容如下：1.研究了适合玻璃透镜模压成形的材料本构模型，建立了相关的本构方程，采用FORTRAN语言将材料本构关系添加到有限元程序中进行模拟分析，并给出了验证本构关系的条件。2.通过对直径Ф11mm玻璃透镜模压成形过程的数值模拟，得到玻璃加热到520℃的最小加热时间为260s、加热过程中玻璃和模具的热变形情况以及玻璃的热应力变化情况；对不同模压温度、不同模压速率、不同摩擦系数条件下的透镜成形性能进行了研究，得到了玻璃材料的流动特性规律、透镜的应力应变分布情况，优化了模压成形温度、模压速率和玻璃-模具的接触情况。得到H-FK61玻璃最优的加工参数：模压成形温度为520℃，模压速率为0.1mm/sec，玻璃-模具的接触情况为0.1。3.通过对直径Ф30mm玻璃透镜模压成形过程的数值模拟，得到了大口径玻璃透镜和较小口径玻璃透镜有着类似的成型性能，不同的是摩擦系数对透镜成形性能影响会更大。4.研究了不同口径玻璃透镜的收缩变形情况，得出了成形透镜的形状误差曲线。研究发现口径越大，透镜的形状误差越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 插表索引
• 符号物理含义表
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 玻璃模压成形技术简介
• 1.3 国内外模压成形技术发展现状
• 1.4 国内外玻璃透镜模压成形数值模拟分析技术的研究现状
• 1.5 课题研究的目的与内容
• 1.5.1 课题来源、研究目的
• 1.5.2 研究内容与论文结构
• 第2章 光学玻璃的基本理论
• 2.1 玻璃材料在加热冷却过程中的转移现象
• 2.2 光学玻璃的粘弹性特性
• 2.2.1 光学玻璃的粘弹性模型
• 2.2.1.1 麦克斯韦模型（Maxwell model）
• 2.2.1.2 开耳文模型（Kelvin-Voigt model）
• 2.2.1.3 伯格斯模型（Burgers model）
• 2.2.1.4 广义麦克斯韦模型（Generalized maxwell model）
• 2.2.2 线性弹性模量正确性的证明
• 2.2.3 光学玻璃的热流变特性
• 2.3 光学玻璃参数的温度相关性
• 2.3.1 光学玻璃的粘度
• 2.3.2 光学玻璃的热膨胀系数
• 2.3.3 光学玻璃的弹性模量
• 2.3.4 光学玻璃的比热容
• 2.4 本章小结
• 第3章 非球面光学玻璃透镜超精密模压成形加热均热阶段数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模型
• 3.2.1 H-FK61 光学玻璃透镜和有限元模型体
• 3.2.1.1 H-FK61 光学玻璃透镜
• 3.2.1.2 加热均热分析有限元模型
• 3.2.2 H-FK61 光学玻璃和模具的材料特性和材料本构
• 3.2.2.1 H-FK61 光学玻璃透镜和模具的材料特性
• 3.2.2.2 玻璃材料和 WC 模具材料的本构关系
• 3.2.3 边界条件
• 3.2.3.1 应力分析边界条件
• 3.2.3.2 热传导边界条件
• 3.3 模拟结果
• 3.3.1 玻璃和模具的加热特性研究
• 3.3.1.1 玻璃和模具的热源分析
• 3.3.1.2 最小加热时间
• 3.3.2 玻璃加热过程中应力变化情况
• 3.3.3 玻璃加热过程中应变变化情况
• 3.4 本章小结
• 第4章 非球面光学玻璃透镜超精密模压成形加压阶段数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 有限元模型
• 4.2.1 H-FK61 光学玻璃透镜加压分析有限元模型和材料本构
• 4.2.2 载荷和边界条件
• 4.3 模拟结果
• 4.3.1 模压速率对模压成形的影响
• 4.3.1.1 模压速率对透镜的残余应力的影响
• 4.3.1.2 模压速率对透镜的应变的影响
• 4.3.1.3 模压速率对模压成形加压过程中模压力的影响
• 4.3.1.4 最优模压速率的选择
• 4.3.2 模压温度对模压成形的影响
• 4.3.2.1 温度对透镜的玻璃材料充填情况的影响
• 4.3.2.2 最优模压温度的选择
• 4.3.3 模具和透镜间摩擦系数对模压成形的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 成形透镜收缩量的研究
• 5.1 引言
• 5.2 退火冷却阶段有限元分析
• 5.2.1 退火冷却阶段玻璃材料本构模型
• 5.2.2 退火冷却阶段有限元分析模型和边界条件
• 5.3 退火冷却阶段有限元分析结果和成形透镜收缩量的研究
• 5.3.1 退火冷却阶段有限元分析结果
• 5.3.2 成形透镜收缩量的研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 大尺寸非球面透镜超精密模压成形数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 大尺寸 H-FK61 光学玻璃透镜和有限元模型
• 6.2.1 大尺寸 H-FK61 光学玻璃透镜
• 6.2.2 有限元模型
• 6.3 模拟结果
• 6.3.1 加热均热阶段有限元分析结果
• 6.3.2 加压阶段有限元分析结果
• 6.3.2.1 模压速率对大尺寸透镜模压成形的影响
• 6.3.2.2 模压温度对大尺寸透镜模压成形的影响
• 6.3.2.3 摩擦系数对大尺寸透镜模压成形的影响
• 6.3.3 退火冷却阶段有限元分析结果
• 6.3.3.1 退火冷却后成形透镜残余应力分布
• 6.3.3.2 模压成形后透镜非球面收缩情况
• 6.4 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表论文目录
• 附录 B 参与研究课题