考虑缺陷的引导光纤线圈精确建模方法

《Optical Fiber Technology》：Accurate modeling method for guided optical fiber coils incorporating defects

　　

陈越|李森|张卓|张一群

西安电子科技大学机械电子工程学院，中国陕西省西安市太白南路2号，邮编710071

摘要

带导光光纤线圈的数字模型已被广泛视为相关研究与开发、仿真分析、测试及验证工作的基础。基于这一理念，本文提出了一种用于包含缺陷的带导光光纤线圈的精确建模方法。该方法首先根据光纤缠绕特性，提出了确定光纤缠绕中心坐标、计算光纤直径变化、根据该变化更新缠绕中心坐标以及制定缺陷识别标准的计算技术。随后，文章探讨了基筒组件的结构，并详细介绍了其各组成部分的建模方法：基筒、基筒座、调整层以及线轴套管组件。此外，还描述了创建各层模型并组装完整机器模型的实现逻辑。最终，依据该方法构建了一个精确的建模系统，通过展示和比较该系统生成的建模结果与缠绕缺陷，验证了所提方法能够有效表征三种典型的缺陷类型。

引言

精确制导技术是决定武器系统作战效能的关键因素，直接影响现代军事行动中的任务成功率与成本效益[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在各类制导技术中，光纤制导导弹因具备强大的抗干扰能力、高数据传输速率以及隐身特性等独特优势，在反坦克、反潜艇以及精确打击等复杂作战场景中发挥着不可替代的作用[6]、[7]、[8]。光纤制导导弹的核心部件之一就是光纤线圈，它用于紧凑地存储缠绕好的光纤，确保其在飞行过程中能够可靠地释放[9]。值得注意的是，线圈内光纤的缠绕均匀性及其结构完整性会直接影响导弹飞行过程中光纤的释放与回收过程是否顺畅，进而决定制导信号传输的稳定性以及整体瞄准精度[10]、[11]。在实际工业制造过程中，由于制造精度和缠绕张力等因素的影响，不可避免地会出现诸如间隙、塌陷和凸起等各种缺陷[12]、[13]、[14]、[15]、[16] [17]、[18]、[19]、[20]、[21]。因此，一个能够准确反映实际缺陷特征的带导光光纤线圈数字孪生模型，为后续研究提供了重要基础，这些研究包括光纤释放动态模拟、缺陷影响机制分析以及制造工艺优化等。

目前的相关研究已在带导光光纤线圈的建模方面取得了显著进展。例如，Hung等人[22]、[23]研究了精确光纤线圈缠绕的独特特点与规律，分析了光纤特性及不同缠绕方法所带来的特殊挑战，并总结了精确光纤缠绕的基本要求。Jia等人[16]基于大变形弹性理论对光纤的自由端进行了应力测试分析，推导出了光纤微变形方程，并通过确定切点位置为光纤的精确缠绕提供了重要指导。Tang等人[24]、[25]研究了光纤线圈的分层、分段以及区域化曲线建模方法，提出了用于线圈本身的轻量化分层建模方法，以及用于基筒组件的参数化自动建模方法，有效提升了建模速度。Li等人[26]、[27]利用桁架结构建立了光纤线圈的高效计算模型，分析了光纤直径均匀性对线圈结构稳定性的影响，指出当直径偏差超过标准直径的±3%时，会严重影响线圈的稳定性。Zhang等人[28]提出了一种新的光纤缠绕建模策略，该策略能够根据实际光纤直径测量值来指导缠绕过程，从而降低光纤直径变化对线圈性能的影响。Li[29]则运用参数化设计理论建立了光纤线圈结构的参数化模型，实现了线圈的参数化设计，同时还建立了基于优化设计理论的光纤线圈结构优化设计数学模型。然而，尽管已有诸多研究成果，目前的建模方法仍存在一些局限性。大多数研究都假设理想条件，忽略了实际制造过程中由于光纤直径变化而产生的线圈缺陷。此外，这些方法在处理基筒结构时往往缺乏足够的精细化，导致模型过于简化，无法体现存在缺陷的线圈的几何特征。因此，这类模型难以为后续的光纤释放动态模拟提供精确的支持。

针对上述问题，本文提出了一种用于包含缺陷的带导光光纤线圈的高保真建模方法。该研究重点关注若干关键技术突破，包括光纤直径变化补偿、缺陷的参数化表征以及基筒的自动建模，旨在实现快速、精确的数字模型构建。

本文的其余部分结构如下：第一节介绍带导光光纤线圈的研究背景以及现有方法的局限性；第二节阐述所提出的建模方法的设计理念与目标；第三节介绍光纤缠绕中心坐标的计算方法，描述光纤直径变化的模型，详细说明根据该变化更新缠绕中心坐标的过程，并给出缺陷识别标准；接着介绍基筒组件各部分的建模方法；第四节通过实际建模系统的应用案例，验证该方法的可行性与高效性；最后，第五节对整个研究工作进行总结。

章节要点

基本假设

为构建一个包含缺陷的带导光光纤线圈的高保真数字模型，本文在确保模型精度与可解性的前提下，提出了以下合理假设：

• •
  假设光纤直径的变化源于两种不同的误差来源：一是光纤生产过程中固有的随机波动所导致的静态误差，二是缠绕张力、温度等因素引起的动态变化。
• •
  线圈的容量是根据

光纤缠绕建模方案

在光纤缠绕过程中，生产参数和缠绕张力的变化可能会影响光纤直径，从而导致光纤线圈出现缺陷。为此，本节提出了一种光纤缠绕建模方法来解决这一问题。该策略会在光纤的周向方向上等间距采样，并根据理想光纤直径为每个依次连接的点初始化光纤中心坐标。随后，采用截断高斯分布

精确建模系统的构建

基于上述用于包含缺陷的带导光光纤线圈的精确建模技术方案，本文选用CREO软件作为数字建模工具。通过整合CREO软件的API、光纤缠绕的参数化表征方法、基筒组件的关键结构特征、手工建模技术以及封装的知识，构建了一个用于包含缺陷的带导光光纤线圈的精确建模系统。见图15

结论

本文提出了一种用于包含缺陷的带导光光纤线圈的精确建模方法。该方法以光纤缠绕的参数化表征以及基筒组件的结构特征为基础，实现了带导光光纤线圈的定制化、精确化数字建模。通过为光纤缠绕、基筒组件以及整体组件设计相应的建模函数，实现了方法的逻辑实现，从而保证了

CRediT作者贡献说明

陈越：撰写——初稿、软件应用、方法论构建、概念设计。李森：撰写——审阅与编辑、方法验证、项目监督。张卓：可视化处理、实验研究、数据整理。张一群：项目监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢Edit Springs提供的专业语言服务支持，同时衷心感谢主编、副主编以及审稿人提出的宝贵意见与建议。

资助情况

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助[项目编号U2241247]。