光-機(jī)-熱聯(lián)合仿真分析

胡志棟　羅婷婷

【摘 要】光學(xué)系統(tǒng)在軍事、航空航天、民用等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，光學(xué)系統(tǒng)要滿足特定的需求，光學(xué)元件載體所在的光學(xué)系統(tǒng)工作環(huán)境非常復(fù)雜，特別是熱環(huán)境，溫度的變化會引起光學(xué)系統(tǒng)的熱脹冷縮，從而影響成像質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)階段對光-機(jī)-熱進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性的參考是非常必要的。文章應(yīng)用Workbench、Sigfit和Zemax軟件進(jìn)行了實(shí)例聯(lián)合仿真分析，探索了光-機(jī)-熱聯(lián)合仿真的過程，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】光-機(jī)-熱;聯(lián)合仿真;Workbench;Sigfit;Zemax

【中圖分類號】V441 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）07-0055-03

0 引言

由于光學(xué)系統(tǒng)的高精密性需求，光學(xué)系統(tǒng)（如夜視鏡、望遠(yuǎn)鏡、空間相機(jī)、航空相機(jī)、經(jīng)緯儀等）的研制涵蓋了光學(xué)、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、電子等多學(xué)科的內(nèi)容，各個(gè)學(xué)科之間緊密聯(lián)系，相互影響。因此，在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮光、機(jī)、熱等對系統(tǒng)成像性能所造成的影響。

在傳統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，光學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析和熱分析是相互分離的。設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，首先由光學(xué)設(shè)計(jì)人員對光機(jī)系統(tǒng)提出結(jié)構(gòu)上的要求，然后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對外界的溫度環(huán)境提出要求，有限的溫控措施又最終會影響光學(xué)分析的結(jié)果，由此可見，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的光機(jī)系統(tǒng)是非常耗時(shí)耗力的。針對上述情況，國外于1981年提出了光機(jī)熱集成分析的概念，希望將各類影響因素加以綜合考慮，最終提高整個(gè)光機(jī)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。隨后的30年內(nèi)，光機(jī)熱集成分析得到大量應(yīng)用，美國國家宇航局及我國幾大光機(jī)所在設(shè)計(jì)大型光機(jī)系統(tǒng)時(shí)，都用到了光機(jī)熱集成分析技術(shù)。

隨著仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，針對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中光機(jī)熱集成分析問題，“索辰”自主研發(fā)了光機(jī)熱協(xié)同仿真系統(tǒng)STOP（Structure/Thermal/Optics Performance）。該款軟件利用索辰獨(dú)有的多維度模型技術(shù)、標(biāo)簽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光機(jī)熱多學(xué)科協(xié)同仿真，并基于流程模板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速多方案參數(shù)化設(shè)計(jì)，滿足光學(xué)設(shè)計(jì)人員高效率和高精度的設(shè)計(jì)需求。

美國Sigmadyne公司在光機(jī)熱耦合仿真分析領(lǐng)域有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，向客戶提供光機(jī)熱集成分析方案和專家級咨詢服務(wù)。Sigfit軟件由Sigmadyne公司開發(fā)，它是一款光機(jī)熱耦合分析工具。Sigfit能夠直接將有限元分析工具（MSC Nastran、Ansys和Abaqus）與光學(xué)分析工具（CodeV、Zemax和OSLO）集成，并可以通過有限元分析工具和熱分析工具的接口能力將Radtherm、MSC Sinda和Thermica等輻射與熱分析工具集成到一起，從而實(shí)現(xiàn)熱、機(jī)、光的完美耦合;可以將有限元分析得到的光學(xué)面形等結(jié)果文件通過澤尼克多項(xiàng)式擬合或者插值轉(zhuǎn)化為光學(xué)工具的輸入文件，并可實(shí)現(xiàn)主動控制的促動器布局優(yōu)化、動態(tài)響應(yīng)分析、光程差分析及應(yīng)力雙折射效應(yīng)、設(shè)計(jì)優(yōu)化等。該工具在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光存儲、激光打印、激光通信及燈具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 光-機(jī)-熱分析過程

分析的實(shí)例模型如圖1所示，模型自由放置在水平面上，環(huán)境溫度分別設(shè)置為60 ℃和-40 ℃。

將6個(gè)鏡片單獨(dú)顯示并進(jìn)行編號（如圖2所示）;光路如圖3所示。鏡子1和框架的材料為鋁，鏡子2-6的材料為石英玻璃。

1.1 整體分析

首先進(jìn)行整體分析，考慮模型內(nèi)部一個(gè)10 W的熱源，并設(shè)置環(huán)境溫度，得到升溫和降溫過程模型整體的溫度分布和變形云圖分別如圖4、圖5所示。

1.2 單個(gè)鏡片分析

以鏡子1為例，分析其在溫度變化下的鏡面面形和光軸的變化。鏡子1的三維模型和網(wǎng)格劃分如圖6所示。

1.2.1 升溫過程分析

升溫過程鏡面的變形云圖如圖7所示，面形分析結(jié)果如圖8所示。面形分析結(jié)果如下：繞X軸轉(zhuǎn)角9.876E-06rad，繞Y軸轉(zhuǎn)角2.660E-07rad，繞Z軸轉(zhuǎn)角1.221E-06rad;鏡面面形RMS值為1.064E-04 mm，P-V值為4.337E-04 mm。

1.2.2 降溫過程分析

降溫過程鏡面面形分析結(jié)果如圖9所示。面形分析結(jié)果如下：繞X軸轉(zhuǎn)角-1.611E-05rad，繞Y軸轉(zhuǎn)角-4.333E-07rad，繞Z軸轉(zhuǎn)角-1.999E-06rad;鏡面面形RMS值為1.736E-04 mm，P-V值為7.075E-04 mm。

1.3 光軸分析

綜合6個(gè)鏡片的面形的分析結(jié)果，然后導(dǎo)入Zemax內(nèi)得到光軸的漂移值（如圖10所示）。

2 結(jié)語

通過對三維模型的光-機(jī)-熱聯(lián)合仿真分析可以給出光軸在溫度變化的情況下變化值，為今后的設(shè)計(jì)提供一定的參考，進(jìn)而提高工程應(yīng)用，更好地滿足用戶的需求。

參 考 文 獻(xiàn)

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