以高机械灵敏度为设计目标, 对一种解耦硅MEMS陀螺进行了结构优化, 并利用有限元分析软件ANSYS对该MEMS陀螺进行了模态、应力、位移、抗过载及谐响应仿真分析, 确定并验证了高灵敏度MEMS陀螺的结构优化原则。优化后的硅MEMS陀螺驱动和检测模态谐振频率分别为3700与3718Hz, 机械灵敏度可达0.95nm/(°/s), 能够承受500g的冲击载荷, 并且能够实现驱动模态和检测模态解耦。

为了解决巨型望远镜潜在的结构变形对方位轴系支撑和精密驱动的影响, 基于组合轴承和驱动车载的概念, 提出了一种集成具有轴承及驱动两个功能的机械装置。此套机械装置采用了静液压油垫和直接驱动技术。直接驱动和液压油垫组合安装在承载机构上, 可以减小电机间隙变化以便提高驱动系统的效率, 此机械装置包含一套运动副连接, 该连接允许底部静液压油垫与滑动导轨紧密贴合而上部连接到方位轴移动结构上(就方位轴而言), 由此机械装置在运行时只会受到底部滑动轨道平整度的影响而不受上部移动结构大尺度变形的影响。之后通过ANSYS对机械装置进行了静力学仿真, 以验证模型的准确性。分析结果证明: 系统在设置运动副连接和未设置运动副连接两种情况下, 施加Z轴方向力矩时, 关注点的位移由14.3 μm减小为0.85 μm; 施加X轴方向力矩时, 关注点的位移由12.9 μm减小为1.26 μm, 运动副连接层可以显著吸收望远镜方位轴移动结构变形引起的力矩, 从而不会将该作用力矩强加给静液压油垫和驱动系统。该项设计为巨型望远镜高精度轴系和精密驱动的研制提供了可靠的设计依据和技术支持。

提出了一种新型结构的法布里-珀罗(F-P)腔光纤压力传感器。该传感器基于法布里-珀罗多光束干涉, 利用压力敏感膜的纵向挠度变化带动位移柱的横向位移运动来改变F-P腔的腔长变化。详细阐述了传感器新结构的设计方法及其工作原理, 分析了不同参数对传感器性能的影响。采用ANSYS软件仿真模拟了传感器压力敏感膜在压力作用下的挠度变化。结合现有的MEMS工艺, 可制作出工艺简单、温度系数低、灵敏度高, 且抗电磁干扰的MEMS光纤压力传感器。

为了研究切向气流对激光毁伤低慢小目标的影响, 采用仿真分析和实验相结合的方法研究了在激光辐照典型低慢小目标材料尼龙66过程中切向气流对激光烧蚀作用的影响。建立了激光烧蚀尼龙的简化物理模型, 利用红外热像仪分别研究了1.5 s和4 s两个时刻激光辐照下尼龙材料的温度场分布和烧蚀形貌, 并与无气流条件下的结果进行对比。实验表明, 切向气流对激光烧蚀尼龙材料过程的影响主要分两个阶段, 在辐照前段时间切向气流减缓了激光辐照下尼龙66材料的温升, 抑制了激光对尼龙材料的烧蚀作用; 但随着温度的升高, 热分解产物增多使激光屏蔽作用增强, 切向气流减轻了目标材料表面热分解产物对激光的衰减, 并为尼龙材料的氧化烧蚀提供更多氧气, 促进了烧蚀作用。最后对切向气流下激光烧蚀尼龙的过程进行了ANSYS仿真, 实验结果和仿真结果基本一致, 从而验证了理论的可靠性。

基于积分方程理论建立了黑体腔的结构模型，分析了腔体长径比、孔径比、接收器到腔口的距离、腔体材料本身发射率等参数对腔体发射率的影响，提出了黑体腔优化参数设计，同时，应用有限元分析法分析了不同形状黑体腔腔体对接收器稳态温度、动态响应时间的影响。研究结果表明：黑体腔结构参数的改变直接影响黑体腔发射率、接收器稳态温度、动态响应时间，进而影响黑体腔性能，积分方程法和有限元法结合分析为黑体腔研究以及优化设计提供了新思路。

为了得到激光辐照下尼龙材料的烧蚀规律，利用红外成像的方法分析了近红外连续激光辐照尼龙材料引起的热烧蚀现象。用摄像机和红外热像仪记录了尼龙材料在烧蚀过程中的主要现象和温度变化过程，并对实验结果与ANSYS仿真结果进行了对比。使用波长为976 nm，输出功率密度为1×105 W/m2、光斑高斯半径为10 mm的光束对尼龙材料进行照射的结果显示：开始时尼龙材料温度迅速上升，发生膨胀，并逐渐熔融分解；随着照射时间的增加，尼龙材料温度变化变缓，熔融部分向光斑边缘退化；当达到一定温度时，材料温度不再升高。由于受光束质量、材料性能不均匀、熔融部分向边缘退化等因素影响，得到的实验烧蚀结果与理论烧蚀结果稍有差异，但基本吻合，验证了实验方法及ANSYS数值仿真方案的可行性。

激光陀螺光路稳定性决定着陀螺的性能，而谐振腔内外压差是影响陀螺光路稳定性重要因素之一.为了研究腔内低气压对激光陀螺光路变动及其损耗的影响，采用ANSYS仿真软件对激光陀螺在腔内低气压状态下反射镜的微小形变进行了仿真计算，结果表明: 低气压状态下，反射镜的中心发生最大形变，其中球面镜最大形变量为545 nm,平面镜最大形变量为31 nm，这不仅引起光路偏离光阑中心390 nm，同时引起球面镜曲率变化174 mm.进一步从理论上分析了这种变化对光路变形和谐振腔损耗的影响，结果表明: 上述变化综合引起谐振腔损耗变化2%~3%，其中球面镜曲率半径的变化是引起损耗变化的主要原因，增加球面镜槽深或降低腔内外压差都能有效减小这种光路的变化.通过搭建光路测试系统，进一步验证了计算结果的正确性.

针对声光调Q YAG脉冲激光修整青铜结合剂金刚石砂轮，运用ANSYS有限元软件建立了三维脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数学模型和传热模型，得到了激光烧蚀金刚石磨粒后的温度分布。利用所建立的模型可获得不同激光参数下的变质层厚度，并通过实验对该模型进行了验证。针对脉冲激光修锐与整形的两个不同方面，从实验和数值模拟两方面研究脉冲激光参数对变质层厚度的影响规律，得到在修锐时脉宽与激光功率对变质层厚度影响程度相差不大，而在整形时脉宽则起到了绝对的主导作用；经过多脉冲激光烧蚀后变质层厚度有所减小；只有在砂轮修锐时石墨变质层厚度随脉宽的增加而减少。

设计制作了一种三角形结构的金属材料光热驱动微开关。通过理论分析和ANSYS仿真,揭示了光热偏转量与三角形结构的微悬臂倾角之间的相互关系;基于同步辐射光源及LIGA技术,以金属镍(Ni)为基底材料,微加工制作出一个微悬臂长度1435μm、倾角6°的微开关器件;利用光热驱动控制与显微视频监控系统,进行了光热驱动及偏转量检测实验。实验结果表明,在波长808nm、功率135mW的半导体激光控制下,可产生约20μm的最大光热偏转量,从而验证了这一金属材料光热驱动微开关的可行性;同时,为设计制作基于金属材料的其他微型光热驱动器件及实际应用提供了技术基础。