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 |
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». http://www.npokaskad.ru (дата обращения 12.10.2016г.)
- Обзор версии Comsol Multiphysics 5.2a. https://www.comsol.ru/release/5.2a/structural-mechanics-module (дата обращения 12.10.2016г.)
- Comsol Multiphysics 5.2 release highlihts. https://www.comsol.com/release/5.2/structural-mechanics-module (дата обращения 12.10.2016г.)
- Статический, переходный анализ прочности конструкций и анализ в частотной области. https://www.comsol.ru/structural-mechanics-module (дата обращения 12.10.2016г.)
© Михайлов А.Л., Алексеев В.Н., Иваненко В.А., 2016
