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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (1): 130-136    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.311
多科学仿真与优化设计     
高带宽压电片变形镜的动力学仿真与优化方法研究
杨开科(),罗俊鹏,马文静,耿远超,王德恩(),袁强
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
Research on dynamics simulation and optimization method for high-bandwidth unimorph piezoelectric deformable mirror
Kaike YANG(),Junpeng LUO,Wenjing MA,Yuanchao GENG,Deen WANG(),Qiang YUAN
Laser Fusion Research Center, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China
 全文: PDF(3865 KB)   HTML
摘要：

为进一步提高压电波前校正器的响应速度和轻量化程度，对面向高动态形状控制的压电片变形镜的动力学仿真与优化方法进行了研究。首先，基于压电片变形镜的参数化有限元模型，提出了高效、高精度的电-力耦合动力学仿真分析方法。然后，通过正交遍历多维设计参数（光学反射镜与压电陶瓷的材料类型、几何尺寸和固定方式等），探究了不同参数对压电片变形镜动态形状控制性能的影响规律。最后，优化得到具有预期响应带宽和驱动位移性能的压电片变形镜设计方案，并通过制备压电片变形镜的原理样件来验证其性能。实验结果表明，所研制的压电片变形镜的固有频率和镜面驱动位移幅值符合预期，验证了所提出的动力学仿真与优化方法的有效性，这可为高带宽压电片变形镜的高效研制提供科学的理论方法。
关键词： 高带宽压电片变形镜;  电-力耦合动力学仿真;  正交遍历;  多维设计参数    
Abstract:

In order to further improve the response speed and lightweight extent of piezoelectric wavefront correctors, the dynamics simulation and optimization method of unimorph piezoelectric deformable mirrors for high dynamic shape control was studied. Firstly, based on the parameterized finite element model of unimorph piezoelectric deformable mirror, an efficient and high-precision electromechanical coupling dynamics simulation analysis method was proposed. Then, through orthogonal traversal of multi-dimensional design parameters (material type, geometric dimension and fixation mode of the optical reflector and piezoelectric ceramic), the influence of different parameters on the dynamic shape control performance of unimorph piezoelectric deformable mirrors was explored. Finally, the optimized design scheme of the unimorph piezoelectric deformable mirror with expected response bandwidth and actuation displacement performance was obtained. The experimental results show that the natural frequency and mirror actuation displacement amplitude of the developed unimorph piezoelectric deformable mirror are in line with expectations, which verifies the effectiveness of the proposed dynamics simulation and optimization method and provides a scientific theoretical method for the efficient development of high-bandwidth unimorph piezoelectric deformable mirrors.
Key words: high-bandwidth unimorph piezoelectric deformable mirror    electromechanical coupling dynamics simulation    orthogonal traversal    multi-dimensional design parameters
收稿日期: 2023-10-20 出版日期: 2024-03-04
CLC:  TH 122  
基金资助: 中国工程物理研究院院长基金自立项目(22-YZJJ-10-01);中国工程物理研究院激光聚变研究中心青年成长基金项目(RCFCZ6-2022-3)
通讯作者: 王德恩     E-mail: 1411317375@qq.com;sduwde@126.com
作者简介: 杨开科（1992—），男，陕西渭南人，助理研究员，博士，从事智能变形结构、复杂光机系统多学科建模与优化设计研究，E-mail: 1411317375@qq.com，https://orcid.org/0009-0006-7008-2875
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杨开科
罗俊鹏
马文静
耿远超
王德恩
袁强

引用本文:

杨开科,罗俊鹏,马文静,耿远超,王德恩,袁强. 高带宽压电片变形镜的动力学仿真与优化方法研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(1): 130-136.

Kaike YANG,Junpeng LUO,Wenjing MA,Yuanchao GENG,Deen WANG,Qiang YUAN. Research on dynamics simulation and optimization method for high-bandwidth unimorph piezoelectric deformable mirror[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(1): 130-136.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.311    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I1/130

图1  压电片变形镜工作原理示意
图2  压电片变形镜的几何模型和电极布局
图3  压电片变形镜多维设计参数优化流程
图4  压电片变形镜有限元模型及其驱动位移云图
图5  多维设计参数对应的压电片变形镜仿真性能
图6  单通道电压控制时压电片变形镜的驱动位移云图
图7  不同激励频率下压电片变形镜的驱动位移幅值
图8  压电片变形镜原理样件
图9  压电片变形镜表面形状测量光路
图10  单通道电压控制时压电片变形镜的实测驱动位移
图11  压电片变形镜驱动位移响应速度测量方案
图12  压电片变形镜1号电极处的驱动位移响应速度
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