光-机-热-流多场耦合建模方法及其在激光传输系统中的应用

doi:10.3901/JME.2024.24.350

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (24): 350-364.doi: 10.3901/JME.2024.24.350

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光-机-热-流多场耦合建模方法及其在激光传输系统中的应用

梁朋伟^1,2, 庞勇^1,2, 任博³, 张帅^1,2, 王沐晨^1,2, 李清野^1,2, 阚子云^1,2, 宋学官^1,2

1. 大连理工大学机械工程学院大连 116024;
2. 高性能精密制造全国重点实验室大连 116024;
3. 四川大学物理学院成都 610065

收稿日期:2024-01-16 修回日期:2024-06-10 出版日期:2024-12-20 发布日期:2025-02-01
作者简介:梁朋伟，男，1994年出生，博士研究生。主要研究方向为光机系统多学科耦合建模与优化设计。E-mail：lpw12104059@mail.dlut.edu.cn;宋学官(通信作者)，男，1982年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为多学科耦合建模与优化设计、工业大数据挖掘及数据驱动的预测技术、装备/基础件智能化。E-mail：sxg@dlut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52475214、52105205)、广东省基础与应用基础研究基金(2024A1515010406、2022A1515010864)和中国-中东欧国家高校联合教育(2023275、2021101)资助项目。

Multi-field Coupling Modeling Method for Optical-mechanical-thermal-fluid and Its Application in Laser Transmission Systems

LIANG Pengwei^1,2, PANG Yong^1,2, REN Bo³, ZHANG Shuai^1,2, WANG Muchen^1,2, LI Qingye^1,2, KAN Ziyun^1,2, SONG Xueguan^1,2

1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024;
2. State Key Laboratory of High-performance Precision Manufacturing, Dalian 116024;
3. College of Physics, Sichuan University, Chengdu 610065

Received:2024-01-16 Revised:2024-06-10 Online:2024-12-20 Published:2025-02-01

摘要/Abstract

摘要： 激光传输系统涉及光学、机械、热、流场等多个物理场，在其设计制造过程中，进行多学科耦合建模分析至关重要。通过分析系统的多场耦合关系，提出一种光-机-热-流多场耦合建模方法。首先构建机械、热和流场的耦合模型，实现力、热和光作用下耦合变量的求解；其次基于代理模型方法，实现空间不均匀折射率场的拟合与预测模型；然后结合Fermat原理、光线追迹算法、波前畸变分析方法，提出不均匀折射率场光束传输分析方法，实现多场耦合变量的融合，形成光-机-热-流多场耦合模型；最终完成在多场耦合作用下，光学元件位姿变化、光束指向偏差、波前畸变的分析计算。利用两个数值案例对该方法进行验证，并应用该方法分析讨论激光传输系统中的多场耦合问题，结果表明该方法可用于光机系统中各设计参量的分析研究，为光学系统、机械系统、热控系统、自适应光学系统的设计优化提供依据。

关键词: 光-机-热-流, 多场耦合建模, 激光传输系统, 光束传输分析

Abstract: Laser transmission systems involve multiple physical fields including optical, mechanical, thermal, and fluid dynamics. Conducting a comprehensive multi-disciplinary coupling modeling analysis is crucial during their design and manufacturing process. A multi-field coupling modeling method for optical-mechanical-thermal-fluid systems is proposed by analyzing the multi-field coupling relationships of the system. Firstly, a coupling model of mechanical, thermal, and fluid dynamics is constructed to solve the coupled variables under the action of force, thermal, and optical effects. Secondly, a fitting and prediction model of spatially non-uniform refractive index is constructed based on the surrogate model. Then, combining the Fermat principle, ray tracing algorithm, and wavefront distortion analysis method, an analysis method for beam transmission in regions of non-uniform refractive index is proposed to integrate multi-field coupling variables and form a multi-field coupling model of optical-mechanical-thermal-fluid systems. Finally, the analysis calculation of the pose change of optical components, beam direction deviation, and wavefront distortion under the action of multi-field coupling is completed. The method is validated by two numerical cases and applied to analyze and discuss multi-field coupling problems in laser transmission systems. The results demonstrate that the method can be utilized for the analysis and study of various design parameters within optical-mechanical systems, providing a basis for the design and optimization of optical systems, mechanical systems, thermal control systems, and adaptive optical systems.

Key words: optical-mechanical-thermal-fluid, multi-field coupling modeling, laser transmission system, beam transmission analysis

中图分类号:

TG156

梁朋伟, 庞勇, 任博, 张帅, 王沐晨, 李清野, 阚子云, 宋学官. 光-机-热-流多场耦合建模方法及其在激光传输系统中的应用[J]. 机械工程学报, 2024, 60(24): 350-364.

LIANG Pengwei, PANG Yong, REN Bo, ZHANG Shuai, WANG Muchen, LI Qingye, KAN Ziyun, SONG Xueguan. Multi-field Coupling Modeling Method for Optical-mechanical-thermal-fluid and Its Application in Laser Transmission Systems[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(24): 350-364.

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