Как известно [1, 2], кроме собственного затухания оптического кабеля (ОК), обусловленного его конструктивными характеристиками, важное значение имеют привносимые в ОК дополнительные затухания. Они могут достигать существенных значений, в результате которых уменьшается энергетический баланс системы, сокращается возможная длина регенерационного участка. К факторам влияний, воздействующих на ОК, относятся: атмосферно-климатические воздействия; радиация; внешние электромагнитные поля; механические усилия различного вида и происхождения; соединение оптических волокон или оптические соединители. В работе сделана оценка стойкости комбинированных соединителей модульной конструкции, а именно их оптической части, к механическим воздействующим факторам с уровнями воздействий, соответствующим перспективным областям применения.
В ходе проведения расчета необходимо было определить: резонансные частоты; напряжения, возникающие в конструкции соединителя; происходило ли превышение пределов текучести материалов, из которых сделаны соединители; угловое смещение плоскостей оптического волокна у оптических вставок. 3D-модели соединителей для проведения расчета предоставлены АО «НПО «Каскад» [3]. Соединители разработаны при поддержке ФБГУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».
Моделирование соединителя с электрическим контактом проводилось методом конечных элементов в программе COMSOL Multiphysics 5.2 с использованием модуля Solid Mechanics [4 — 6]. Для упрощения расчёта моделирование проводилось на двух моделях, различающихся наличием элементов крепления и количеством конечных элементов. Характеристики моделей приведены в табл. 1, внешний вид моделей показан на рис. 1 — 2.
Таблица 1
Параметр | Модель 1 | Модель 2 |
Количество тетраэдральных элементов | 61776 | 254080 |
Количество треугольных элементов | 25636 | 108767 |
Количество линий | 6637 | 22748 |
Количество точек | 1451 | 2313 |
Рисунок 1 | Рисунок 2 |
Расчёт показал, что рассматриваемая конструкция имеет резонансную частоту 950 Гц. При использовании крепления появляется также резонансная частота 1904 Гц (рис. 3). Значения максимальных возникающих напряжений в контактах разъёма на этих частотах при амплитуде воздействующего ускорения 100 м/с2 не превышают 13.8 МПа, что меньше предела текучести используемых материалов (300 МПа). Аналогичным образом были рассмотрены: распределение напряжений в разъёме при колебаниях на резонансных частотах; смещения элементов конструкции при колебаниях на резонансной частоте (рис.4).
Рисунок 3 | Рисунок 4 |
График амплитуд напряжений в зависимости от частоты синусоидальной вибрации изображен на рис. 5.
Рисунок 5 | Рисунок 6 |
При аналогичном моделировании комбинированного соединителя с оптическим контактом были получены следующие результаты. Расчёт показал, что рассматриваемая конструкция имеет 4 основные резонансные частоты: 477 Гц, 651 Гц, 1439 Гц и 1572 Гц. Значения максимальных возникающих напряжений в контактах разъёма на этих частотах при амплитуде воздействующего ускорения 100 м/с2 приведены в табл. 2
Таблица 2
Частота вибрации, Гц | Максимальное напряжение в контактах, МПа | Предел текучести материала контактов (Сталь), МПа |
477 | 2,06 | 300 |
651 | 36,8 | |
1439 | 27,4 | |
1572 | 28,0 |
Были получены распределения напряжений и смещений в оптических контактах и соединителе на резонансных частотах. Для примера на рис. 6 приведено распределение напряжений на частоте 477 Гц. График амплитуд напряжений в зависимости от частоты синусоидальной вибрации приведен на рис. 7.
Рисунок 7
Список использованной литературы:Расчет показал, что возникающие напряжения в прототипах оптических контактов вызывают незначительные угловое смещение плоскостей оптического волокна, порядка 4o и не превышает 8o. По результатам моделирования можно сделать вывод, что рассматриваемая конструкция выдерживает требуемые вибрационные нагрузки и имеет 10-ти кратный запас прочности. Отсутствует потеря механического контакта у электрических контактов. Угловое смещение плоскостей оптического волокна не превышает предельно допустимого значения, при котором происходит полное затухание передаваемого сигнала.
Список использованной литературы:
- Цуканов В.Н., Яковлев М.Я. Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство. М.: Инфра-Инженерия, 2014. 304 с.
- Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. М.: Техносфера, 2003. 590 с.
- АО НПО «Каскад». www.npokaskad.ru (дата обращения 12.10.2016г.)
- Обзор версии Comsol Multiphysics 5.2a. www.comsol.ru (дата обращения 12.10.2016г.)
- Comsol Multiphysics 5.2 release highlihts. www.comsol.com (дата обращения 12.10.2016г.)
- Статический, переходный анализ прочности конструкций и анализ в частотной области. www.comsol.ru (дата обращения 12.10.2016г.)
© Михайлов А.Л., Алексеев В.Н., Иваненко В.А., 2016