Трехмерное численное моделирование остаточных напряжений в металлизированных оптических волокнах
Автор: Напарин М.А., Перминов А.В.
Статья в выпуске: 1, 2026 года.
Бесплатный доступ
Проведено трёхмерное численное моделирование напряжённо-деформированного состояния одномодового оптического волокна с медным защитно-упрочняющим покрытием при охлаждении от температуры размягчения или плавления до комнатной. В расчётах реализована квазистационарная термоупругая постановка без осевой симметрии, в которой начальная температура каждого слоя конструкции определяется через его температуру размягчения или плавления. В работе начальной температурой использована температура размягчения для конкретного слоя конструкции в зависимости от содержания примесей в кварце. Расчеты выполнены с помощью программного обеспечения Comsol Multiphysics v.6.2. Получены поля остаточных напряжений и полных деформаций в таком типе оптического волокна, а также численные значения продольных и поперечных деформаций в сердцевине волокна. Дополнительно произведен расчет волокна с диаметром кварцевой оболочки 125 и 200 мкм без медного покрытия, рассматривался этап остывания кварцевой части волокна от начальной температуры (температуры размягчения) до комнатной температуры. Такой расчет требуется для определения деформаций, вызванных непосредственно металлическим покрытием, поскольку изменение диаметра кварцевой оболочки может привести к изменению напряжений в сердцевине еще до нанесения медного покрытия. Показано, что увеличение диаметра кварцевой оболочки с 125 до 200 мкм при постоянной толщине медного покрытия снижает поперечные деформации в сердцевине волокна на 36 %. Предложенная относительно простая математическая модель напряженно-деформированного состояния волокна требует более тщательного сравнения с экспериментальными данными. После доработки и учета ряда факторов, эта модель может служить основой для дальнейших исследований.
Оптическое волокно, медное покрытие, остаточные напряжения, квазистационарная задача, температура стеклования
Короткий адрес: https://sciup.org/146283357
IDR: 146283357 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2026.1.07
Three-dimensional numerical modeling of residual stresses in metal-coated optical fibers
A three-dimensional numerical analysis was carried out to study the stress-strain state of a single-mode optical fiber with a copper protective coating during cooling from the drawing temperature to room temperature. The problem was solved within a quasi-stationary thermoelastic formulation without axial symmetry, where the initial temperature of each structural layer was defined by its softening or melting point. In the calculations, the softening temperature of each layer was taken according to the impurity content in the quartz glass. The simulations were performed using COMSOL Multiphysics v.6.2. Residual stress and strain fields were obtained, as well as the longitudinal and transverse strain components in the fiber core. Additional simulations for fibers with silica cladding diameters of 125 μm and 200 μm without the metal coating to analyze the cooling process of the silica part of the fiber from its softening temperature to ambient conditions. This approach makes it possible to isolate the contribution of the metallic coating to the overall deformation, since variations in the cladding diameter can affect the stress distribution in the core even before the copper layer is applied. It was found that increasing the cladding diameter from 125 μm to 200 μm, while keeping the copper thickness constant, decreases the transverse strain in the core by about 36 %. The proposed thermoelastic model is relatively simple but physically consistent and requires further experimental verification. With refinement, it may serve as a basis for the design and analysis of metal-coated optical fibers intended for operation in harsh environments.
