微结构光学元件模压成形数值仿真分析

摘要

微结构光学元件表面具有微结构特征，能够改善像质、校正像差，并提高光学系统的成像质量。玻璃模压成形技术具有加工精度高，能稳定批量生产的特点，能够复制具有复杂表面的非球面，也适合微结构光学元件的成形加工。由于微结构光学元件整体尺寸小，利用模压成形加工微结构光学元件存在较多的缺陷，如尺寸的传递性较差、填充不饱满等，严重影响了光学元件的形状精度和表面质量。因此，研究模压成形过程中不同因素下填充的效果对于提高微结构成形精度有重要的实际意义。
　　有限元方法在模压成形的运用，能够实现微结构光学元件成形过程中填充情况、应力应变和成形形貌的预测以及模具的优化设计，缩短了产品的开发周期，提高了产品的质量和性能。本文利用仿真软件MSC.Marc主要研究了以下内容:
　　(1)利用MSC.Marc软件对实际模型进行了合理假设和简化，建立V形槽阵列的有限元分析模型，对玻璃的本构模型进行了研究，分析了仿真模型边界条件的施加方法。
　　(2)分析了模具和玻璃坯料在两种不同加热方式下的温度场，探究了两种加热方式下玻璃和模具温度场的差异，接着研究了不同的工艺参数（模压温度、模压速度、摩擦系数）对成形元件应力的影响，以及不同的工艺参数（模压温度、模压速度、模压时间）对V槽填充性能的影响规律。
　　(3)利用MSC.Marc软件，先针对凹模与凸模对填充性能的影响进行了有限元仿真分析，接着分析了具有凹槽结构的下模具对仿真时填充性能的影响，最后建立了V形槽、圆弧形槽、矩形槽和梯形槽四种微结构的有限元模型，探究了不同形状的微型槽模压成形后的填充效果。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

符号物理含义表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 微结构光学元件制造技术国内外发展现状

1．3 光学元件模压成形数值仿真研究现状

1．4 课题来源、研究目的及内容

1．4．1 课题来源、研究目的

1．4．2 论文主要研究内容

第2章 光学玻璃材料特性及模压成形基本理论

2．1 模压成形用光学玻璃

2．1．1 模压成形用玻璃成分及特点

2．1．2 玻璃材料的粘度特性

2．1．3 弹性模量对温度的依赖性

2．2 光学玻璃的粘弹性模型

2．2．1 麦克斯韦模型

2．2．2 开尔文模型

2．3 光学玻璃热流变特性

2．4 光学玻璃模压成形基本理论

2．4．1 模压过程中的传热理论

2．4．2 玻璃与模具接触模型

2．5 本章小结

第3章 V形槽有限元模型的建立

3．1 引言

3．2 V槽有限元建模

3．2．1 V槽仿真模型的建立与简化

3．2．2 载荷及边界条件

3．2．3 玻璃材料本构模型及材料特性参数

3．3 本章小结

第4章 V形槽光学元件模压成形数值仿真模拟

4．1 引言

4．2 两种加热方式下的温度场分析

4．3 不同模压参数下的应力分析

4．3．1 模压温度对模压后成形元件应力的影响

4．3．2 模压速度对模压后成形元件应力的影响

4．3．3 摩擦系数对模压后成形元件应力的影响

4．4 不同模压参数下填充效果分析

4．4．1 填充程度的定量分析

4．4．2 不同V形槽位置的填充率分布

4．4．3 模压温度对模压后V形槽填充率的影响

4．4．4 模压速度对模压后V形槽填充率的影响

4．4．5 模压时间对模压后V形槽填充率的影响

4．5 本章小结

第5章 不同微槽形状的模压填充性能分析

5．1 引言

5．2 模具结构对V槽模压填充性能分析

5．3 下模结构对V槽填充性能的影响

5．4 微槽形状对填充性能的影响分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文及专利

附录B 攻读硕士学位期间参与项目