基于ANSYS Workbench的光學探測系統熱-結構仿真分析

李 歡，胡 亮，孟祥福，李 琪，王 爽

基于ANSYS Workbench的光學探測系統熱-結構仿真分析

李 歡，胡 亮，孟祥福，李 琪，王 爽

（上海航天控制技術研究所，上海 201109）

熱載荷是導致紅外探測系統失效的主要原因之一，因此本文利用ANSYS Workbench軟件對某紅外成像光學探測組件進行不同溫度載荷下的熱-結構耦合分析。首先觀察光學鏡頭與探測器之間后截距在不同溫度載荷下的響應；然后利用光學軟件ZEMAX得到后截距變化時理論上光學的成像質量；最后通過實驗驗證了理論計算模型，同時得到了不同溫度載荷下光學探測系統的變形規律，發現探測器安裝材料的熱傳導系數與熱膨脹系數都會影響到探測系統的穩定性。本文的研究工作對紅外成像光學探測系統的設計、優化以及可靠性方面具有重要的指導意義。

光學探測；熱-結構；成像；穩定性

0 引言

紅外成像探測系統通過接收目標以及背景的紅外輻射，形成紅外圖像，同時從所得圖像中檢測、識別、跟蹤目標[1-2]。系統工作時，內部器件和外部環境的熱量都會對紅外成像產生很大的影響，因此對光學探測結構進行極端溫度環境實驗以及模擬仿真極為重要。

光學系統的功能是將目標發出的紅外輻射能量匯聚到紅外探測器上，即紅外探測器探測端必須位于紅外光學系統的焦面上[3]。由于光學鏡頭和探測器組件均是固定在框架上，因此框架結構的熱穩定性決定了紅外光學系統成像品質的可靠性。某光學鏡頭在設計時就考慮了鏡筒結構以及鏡片的熱變形，在對框架結構進行分析時可將光學鏡頭作為一個整體[4]。本文的主要工作是首先利用有限元軟件模擬框架組件在熱應力作用下的變形，然后考察光學鏡頭鏡片組后端與焦平面（探測器探測端）間距即光學后截距的變化，通過光學軟件得到不同溫度載荷下光學探測系統的傳函值，最后通過實驗證明了仿真結果的有效性。

實驗中發現探測器安裝座材料為鋁合金時，在高低溫（－45℃～60℃）特別是低溫下成像像質較差。因此本文同時采用鋁合金和鈦合金安裝座進行仿真，進而比較探測器安裝結構的材料對高低溫下成像的影響。

1 熱-結構分析基礎

1.1 穩態熱傳導有限元

本文所分析對象均為產品正常穩定工作時的狀態，所采用的溫度載荷均不隨時間變化，即為穩態熱傳導問題。在一般三維問題中，穩態熱傳導方程在整個空間域內在直角坐標系下可表示為[5]：

其中前3項表示傳導到微元體的熱量；最后一項表示微元體內部熱源產生的熱量。

式中：k、k、k表示材料沿物體3個主方向的導熱系數；表示溫度矩陣；為材料密度；為物體內部熱源密度。

根據紅外探測器的工作原理以及產品高低溫實驗環境，本文所分析熱傳導問題主要采用的熱邊界條件如下。

在2邊界上給定熱條件：

在3邊界上給定對流換熱條件：

式中：nnn表示邊界外法線的方向余弦；為熱流密度；為對流換熱系數；0為環境溫度。

利用有限元方法將整個空間域離散，利用各個節點的溫度值來近似表示連續分布的溫度場。通過構造泛函方程可得到穩態熱傳導的有限元方程：

＝(4)

式中：

式中：表示熱傳導矩陣；表示溫度載荷矩陣；表示單元總數；NN為相應單元構造的拉格朗日型（0型）插值函數。通過求解式(4)可得溫度場中各個節點的溫度值。

1.2 熱-結構耦合

熱載荷作用下材料自身會產生相應的熱應變D（線應變），其中為熱膨脹系數，而且不會產生切應變。對于三維問題則有[6]：

0＝D[1 1 1 0 0 0 ]T(6)

本文中零件產生熱應變后，框架軸位置的外部約束就會阻止此變形，同時產生相應的熱應力：

＝(－0) (7)

式中：表示彈性矩陣；為應變矩陣。由最小勢能原理構造上述問題的泛函方程，可得到有限元求解方程為：

￠＝￠(8)

式中：￠表示剛度矩陣；為位移矩陣；￠為外載荷矩陣。

上式與一般結構應力求解方程的區別在于載荷向量中包含了溫度場分析中得到的溫度載荷，即：

目前有限元軟件中對熱-結構耦合分析有直接耦合和間接耦合兩種方式。直接耦合采用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時對結構進行溫度場和結構應力分析；間接耦合首先通過熱單元得到結構的溫度場分布，然后將熱單元轉化為結構單元，并利用熱分析得到的節點溫度作為載荷施加在結構分析中，從而得到結構的位移場。對于穩態熱傳導問題，一般在溫度場分析之后再進行熱應力的計算，因此本文采用間接耦合的方法進行模擬分析[7]。

2 有限元模型

2.1 結構模型

為了提高計算效率，本文對部分結構進行了簡化，去除了對分析結果影響較小的圓角、倒角、沉孔以及螺紋孔[8]。結構模型如圖1所示，光學鏡頭安裝在框架前端面上，探測器固定在探測器安裝座上，探測器安裝座中間端面安裝在框架后端面上。

2.2 網格劃分與分析設置

模型中各個零件所采用的材料如表1所示。

表1 零件名稱及其對應的材料

仿真所采用材料的熱力學參數如表2所示。

螺釘連接在僅有溫度載荷情況下可看作剛性連接，因此螺釘與結構件之間的接觸方式均采用bond約束，即在軸向與剪切方向均不會有相對位移。在網格劃分過程中，對各個零件分別進行切割來優化網格質量。鏡頭、框架和探測器安裝座采用六面體單元，探測器采用四面體自由網格。單元類型采用Workbench默認的實體二次單元，模型單元數為271451，節點數為509238，如圖2所示。

紅外探測器采用斯特林制冷機[9]，在其工作過程中產生的熱量通過探測器安裝座傳到框架以及鏡頭位置[10]。斯特林制冷機在不同外界溫度下的功率不同，本文根據探測器在不同溫度下的實際功率給定不同的熱載荷。高低溫時制冷機表面為強制對流換熱，常溫時為自然對流換熱。文中給定的熱載荷以及對流換熱系數如表3所示。

圖1 光學探測組件結構模型

表2 材料的熱力學系數

圖2 光學探測組件有限元模型

表3 制冷機熱分析參數

穩態熱分析完成之后，將所得到溫度場數值導入到結構靜力學分析模塊中，求解得到光學鏡片組后端（鏡頭端）與探測器探測端（探測端）之間軸向的相對位移，即得到光學探測系統的后截距變化量。

3 仿真結果與分析

3.1 有限元仿真結果

常溫下探測器安裝座材料分別為鋁合金和鈦合金時（以下簡稱鋁合金座和鈦合金座），溫度場分布以及軸向位移如圖3所示。可以看到兩者溫度場中最高溫度分別為55.2℃和60.7℃，且其位置在制冷機頂部，這與實驗中所測得探測器工作30min后溫度值與位置一致。框架以及探測器安裝座的溫度變化趨勢也與實驗值較為接近，驗證了本文有限元模型、熱分析設置以及相關系數選取的正確性。

采用鈦合金座時，系統最高溫度較鋁合金座時高，而框架以及其他組件溫度值小于后者，這是由于鈦合金的熱傳導系數比鋁合金小，結構的熱阻高。

常溫下探測端的位移主要取決于探測器安裝支座的熱變形。采用鋁合金座時，探測端以及鏡頭端的位移量均大于鈦合金座系統，主要是由于鋁合金材料熱膨脹系數大于鈦合金材料。

高溫下分別采用鋁合金座和鈦合金座時，結構溫度場分布以及軸向位移如圖4所示。

圖3 常溫下探測系統的溫度場與位移場分布

圖4 高溫下探測系統的溫度場與位移場分布

由于高溫下為強制對流換熱狀態，盡管高溫下制冷機發熱功率較高，其散出的熱量并沒有對組件前半部分的溫度有明顯影響，且兩種材料下系統最高溫度的差距并沒有常溫下明顯。

高溫下兩種材料鏡頭端位置位移量基本一致，而探測端位移量有近0.02mm的差距，這將對光學成像有非常嚴重的影響。產生這種現象的原因是熱膨脹系數越大，位移越為顯著。

低溫下分別采用鋁合金座和鈦合金座時，結構溫度場分布以及軸向位移如圖5所示。

可以看到兩種材料溫度場分布區別并不明顯，且系統中最高溫度差距更小。以上現象的原因一方面是低溫下環境熱載荷更強，內部熱源對溫度場的影響較小，另一方面則是低溫下探測器發熱功率變小。

圖5 低溫下探測系統的溫度場與位移場分布

兩種材料下鏡頭端位置位移在低溫載荷下基本一致，而探測端位移量的差距擴大為0.03mm，顯然低溫下采用鈦合金座探測系統性能更為穩定。

本文主要關注光學后截距這一關鍵因素。綜上探測系統鏡頭端、探測端位移以及后截距變化量如表4所示。

由表4可以看出，鏡頭端位移隨著溫度載荷的增加而增加。特別地，探測端在支座材料為鈦合金時，高溫時位移與常溫時差距非常小。可以看到雖然高溫下框架后半部分以及安裝座向后膨脹產生較大位移，但結構整體溫度載荷較大，盡管探測器材料的熱膨脹系數較小，但探測端伸出項長度較長使探測端前移，因此其總位移量沒有明顯增加。

由于鏡頭端位移僅會受到安裝座材料熱傳導系數的影響，探測端的位移則會同時受到兩種材料熱傳導系數與熱膨脹系數的影響，所以同種溫度載荷下安裝座材料對鏡頭端位移影響較小，對探測端影響較大。紅外系統成像像質不能簡單地由后截距變化量來直接描述，因此本文在有限元分析的基礎上引入了光學仿真分析。

3.2 光學成像模擬

因為本文中光學鏡頭結構件與鏡片溫差非常小，且鏡頭已完成高低溫下消像差設計，所以本文僅討論后截距變化對光學鏡頭調制傳遞函數（modulation transfer function, MTF）的影響。傳函值的大小是現階段公認可以直接反應光學成像品質的光學指標[11]。將上述有限元分析得到的后截距變化量代入到光學軟件ZEMAX中去，計算不同溫度載荷下光學系統的傳函值，如圖6所示。

可以看到常溫下光學探測系統的傳函值較為理想，鋁合金座時系統傳函值稍小于鈦合金座，顯然是由于前者探測端位移大于后者。

高溫下鋁合金座時系統傳函值變化較大，而鈦合金座系統傳函值變化很小，且與常溫下鋁合金座時系統傳函值非常接近，因此理論上探測系統成像質量較高。

低溫下鋁合金座時系統傳函值大幅度降低，這個傳函值已經無法被探測系統所接受，鈦合金座時系統傳函值也有所降低，但明顯優于鋁合金座。

表4 不同溫度載荷下結構位移

圖6 不同溫度載荷下探測系統的傳函值

3.3 實驗成像分析

為了驗證上述理論模擬分析的正確性，本文首先進行了常溫以及高低溫下探測器安裝座材料為鋁合金的光學探測系統的溫度載荷實驗，不同溫度載荷及不同積分時間下光學探測系統成像如表5所示。

可以看出，高、低溫下圖像質量相比常溫均有下降，低溫下圖像已經無法分辨出四桿靶外形。以上現象與有限元和光學仿真現象非常接近。因此本文將安裝座材料改為鈦合金，其他條件不變，在同一套產品上同樣進行了溫度載荷實驗，成像效果如表6所示。

表5 不同溫度載荷下鋁合金座系統時實驗圖像

表6 不同溫度載荷下鈦合金座時實驗圖像

Continued Table 6

為了進一步分析圖像清晰度和對圖像質量進行定量描述，對四桿靶附近的圖像區域求取灰度梯度，獲取平均梯度和最大梯度值。

實驗中圖像平均梯度值如表7所示。

將以上實驗中所得到的圖像梯度值與光學系統仿真所得到的探測系統傳函值結合在一起，如圖7所示。

由圖7可以得到以下結論：

1）與安裝座材料無關，實驗所得圖像梯度值與光學仿真所得傳函值隨溫度載荷變化趨勢一致，而光學傳函值是由有限元仿真結果所計算得到，直接從實驗證明了本文有限元仿真結果的有效性；

2）常溫下同種安裝座材料的探測系統傳函值最高，同時圖像梯度值最高即成像品質最好，而低溫時探測系統傳函值最低且成像品質較差；

3）安裝座材料為鈦合金時，高溫下系統傳函值與常溫下非常接近，圖像梯度值與常溫差距較小，成像像質較好。低溫下探測系統傳函有所降低且圖像梯度較小，但成像質量明顯優于鋁合金安裝座系統；

4）安裝座材料為鋁合金時，傳函值對溫度載荷的變化更為敏感，高、低溫下成像質量下降明顯，主要原因是鋁合金熱傳導系數和熱膨脹系數都非常大，導致整個探測系統溫度較高進而使得探測端位移較大。

表7 不同積分時間下圖像梯度值

圖7 探測器安裝材料分別為鋁合金、鈦合金時探測系統圖像梯度、傳函值和溫度載荷的關系

4 結論與展望

本文基于ANSYS Workbench軟件對紅外成像光學探測組件進行熱-結構仿真，得到不同溫度載荷下光學后截距變化量。然后將仿真結果代入ZEMAX中進行光學系統仿真，得到探測系統傳函值來表征理論上光學成像像質。從理論上解釋了實驗中低溫成像像質較差的原因。同時將安裝座材料改為鈦合金仿真后，發現在各個溫度載荷下像質均有提高，最后通過實驗驗證了有限元與光學仿真的正確性。

本文分析了紅外成像光學探測系統結構在溫度載荷下變形機制和成像質量變化機理，為光學系統安裝結構的設計改進和優化提供了分析思路和實用方法。本文的工作還可以拓展至光學系統結構的設計改進、光學部件與探測器聯合無熱化設計等工作。

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Simulation Analysis of Thermal-Structure of an Optical Detection System

LI Huan，HU Liang，MENG Xiangfu，LI Qi，WANG Shuang

(,201109,)

Thermal load is one of the main reasons for the failure of infrared detection system, therefore, thermal-structure coupling analysis of a certain type of infrared imaging optical detection module under different temperature loads by means of ANSYS Workbench software was performed in this study. First, the response of the back intercept between the optical lens and the detector under different temperature loads was observed, and then, the theoretical imaging quality was calculated by the optical software ZEMAX on the basis of the back intercept. Finally, the theoretical calculation models were verified by the environment test. Simultaneously, the deformation rule of the optical detection module under different temperature loads was obtained, and it was found that the conductivity coefficient and thermal expansivity of the installation material of the detector affected the stability of the detection module. This research can provide guidance on the design, optimization, and reliability of infrared imaging optical detection modules.

optical detection, thermal-structure, imaging, reliability

TN216

A

1001-8891(2020)12-1141-10

2020-04-18；

2020-06-02.

李歡（1993-），男，河南商丘人，結構工程師，碩士研究生，研究方向：工程結構設計與有限元仿真。E-mail：lihuan977@163.com。