有限元法在光學(xué)工程中的應(yīng)用研究

蔡銘宣

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130022）

0.前言

在光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)指標(biāo)對(duì)其來(lái)說(shuō)十分重要，在光學(xué)工程中要保證一定的光學(xué)指標(biāo)符合要求同時(shí)對(duì)于凈質(zhì)量要求也十分嚴(yán)格，對(duì)于凈質(zhì)量的要求要達(dá)到光學(xué)工程的具體要求，保證其整個(gè)的光學(xué)工程符合質(zhì)量的要求，達(dá)到剛度需求的界限[1]。在光學(xué)工程中，其成像的具體質(zhì)量和水平是需要通過(guò)其結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量進(jìn)行完成的。也就是說(shuō)，其凈質(zhì)量的整體要求影響著其成像的質(zhì)量，一旦凈質(zhì)量的要求下降，其光學(xué)工程的整體剛度就會(huì)下降，直接對(duì)成像質(zhì)量有著重要的影響。所以，如何設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)其凈質(zhì)量不會(huì)過(guò)大，同時(shí)又能保證光學(xué)成像質(zhì)量的系統(tǒng)，這是首先去思考的問(wèn)題，在這之上還要在安裝發(fā)射等環(huán)節(jié)中，確保不出現(xiàn)瑕疵，保證質(zhì)量，保證光學(xué)工程穩(wěn)定運(yùn)行。

要解決以上的這些光學(xué)工程中的困境，不能只通過(guò)經(jīng)驗(yàn)去解決，也要進(jìn)行科學(xué)的論證和合理的實(shí)踐模擬，運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行分析和對(duì)比，在光學(xué)工程中，其實(shí)驗(yàn)的要求相對(duì)較高，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)都要求十分嚴(yán)格，所以其實(shí)驗(yàn)的成本也相對(duì)較高，而通過(guò)理論分析的話，不進(jìn)行實(shí)踐操作，很多可變的因素?zé)o法進(jìn)行假設(shè)，計(jì)算出的結(jié)果往往也不夠準(zhǔn)確，與實(shí)際情況中也相差較遠(yuǎn)[2]。所以綜合考慮下，其眾多的研究方法中，數(shù)值計(jì)算法十分的嚴(yán)格和準(zhǔn)確，相對(duì)于其他的計(jì)算方法來(lái)說(shuō)也十分的靈活，可以實(shí)現(xiàn)很多假設(shè)條件的計(jì)算，同時(shí)，數(shù)值計(jì)算方法主要有有限差分法和有限元法。其中，有限差分法其在具體的應(yīng)用中相對(duì)便捷，其在計(jì)算中也相對(duì)較好操作，對(duì)于一些復(fù)雜的條件下，例如不規(guī)則形狀等下，進(jìn)行靈活的應(yīng)用，進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于計(jì)算方面提供了更好的便利條件，在各個(gè)領(lǐng)域都有著較好的應(yīng)用。

1.有限元分析方法的廣泛應(yīng)用

在現(xiàn)在的階段，有限元法分析的模式，在光學(xué)工程中被普遍應(yīng)用，其通過(guò)連續(xù)高斯光束共軸正入射圓形平面光學(xué)薄膜元件的條件下，進(jìn)行模擬，采用相關(guān)軟件進(jìn)行輔助計(jì)算，來(lái)建立光學(xué)薄膜基底溫度場(chǎng)，進(jìn)行對(duì)光學(xué)工程的計(jì)算，得出的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。相關(guān)專(zhuān)家通過(guò)應(yīng)用ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬[3]，對(duì)靶場(chǎng)反射鏡進(jìn)行了改進(jìn)，建立了靶場(chǎng)反射鏡模型，并且對(duì)其實(shí)測(cè)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)其溫度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其數(shù)值作為載荷，計(jì)算得到了反射鏡在靶場(chǎng)溫度變化0.3直鏡面方向的變形滿足穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。該軟件同時(shí)建立了光學(xué)頭懸線式二維力矩器的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了多種模塊分析。[4]同時(shí)對(duì)其電磁場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和分析，對(duì)其物鏡架組件也進(jìn)行了研究，在動(dòng)靜態(tài)下進(jìn)行研究。其相關(guān)的軟件還有ALGOR FEAS軟件，這些軟件都可以更好的進(jìn)行有限元法在光學(xué)工程中的應(yīng)用研究，其對(duì)金屬的反射下的實(shí)驗(yàn)有著較高的影響，在不同的情況下進(jìn)行分析，對(duì)于受力的整體狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)，在受力因素進(jìn)行變化的同時(shí)，進(jìn)行問(wèn)題的分析研究，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的整體運(yùn)行要求，保證其對(duì)凈質(zhì)量的要求，同時(shí)運(yùn)用相關(guān)的CT科學(xué)技術(shù)，進(jìn)行有限元法的理論解釋?zhuān)ㄟ^(guò)理論分析進(jìn)行研究得出結(jié)論，給出了二維圓形組織體光學(xué)CT正模型，對(duì)其數(shù)直結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)然，通過(guò)反光鏡形狀的研究中，我們發(fā)現(xiàn)其對(duì)各種參數(shù)的變化也有著一定的影響。

2.在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

在其計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷應(yīng)用中，其空間技術(shù)也不斷發(fā)展，人們的研究空間逐步擴(kuò)大，逐步實(shí)現(xiàn)在大氣層外進(jìn)行研究和觀測(cè)，在宇宙深處，進(jìn)行機(jī)器的觀察和探測(cè)，人們的科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)人們的研究有著重要的助推作用，而反射式光學(xué)系統(tǒng)其存在較多的優(yōu)點(diǎn)，在觀測(cè)中不會(huì)出現(xiàn)色差，在研究中可以實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)的空間遙感要求[5]。徑口較大的光學(xué)工程其分辨能力也相對(duì)較強(qiáng)，但是也有相應(yīng)的問(wèn)題出現(xiàn)，其光學(xué)工程中的凈質(zhì)量就會(huì)增加，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其簡(jiǎn)便輕盈化，所以如何設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)其凈質(zhì)量不會(huì)過(guò)大，同時(shí)又能保證光學(xué)成像質(zhì)量的系統(tǒng)，這是首先去思考的問(wèn)題，在這之上還要在安裝發(fā)射等環(huán)節(jié)中，確保不出現(xiàn)瑕疵，保證質(zhì)量，保證光學(xué)工程穩(wěn)定運(yùn)行。在反射鏡的設(shè)計(jì)中，其重點(diǎn)要考慮兩個(gè)問(wèn)題，第一就是要保證反射鏡的整體結(jié)構(gòu)的凈質(zhì)量相對(duì)較輕，實(shí)現(xiàn)輕量化，第二就是在其材料的選擇上，選擇物美價(jià)廉的材料，實(shí)現(xiàn)反射鏡的整體質(zhì)量要求的同時(shí)，保證成本的最低，對(duì)材料的要求相對(duì)較高，對(duì)重量方面和彎曲程度都有著一定的要求。其反射鏡在光學(xué)工程中，有著重要的作用，其有著不能代替的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)會(huì)廣泛應(yīng)用到光學(xué)工程中。

3.在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用研究

在我國(guó)的具體研究中，其對(duì)于光學(xué)工程中的具體研究不夠全面，起步也相對(duì)較晚，在數(shù)值研究分析法中也是初級(jí)階段，但是我國(guó)的發(fā)展相對(duì)來(lái)說(shuō)是相對(duì)較快的[2]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于計(jì)算方面提供了更好的便利條件，在各個(gè)領(lǐng)域都有著較好的應(yīng)用。人們的科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)人們的研究有著重要的助推作用，在有限單元法的研究方式中，其通過(guò)建立二維模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬分析，從而對(duì)其熱度環(huán)境進(jìn)行分析，但是其對(duì)環(huán)境中的熱物性參數(shù)和相變潛熱沒(méi)有進(jìn)行深入的研究，對(duì)其可變因素也缺少思考，同時(shí)其得到的結(jié)果來(lái)說(shuō)也是沒(méi)有加以論證的。而反射鏡在光學(xué)工程中，有著重要的作用，其有著不能代替的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)會(huì)廣泛應(yīng)用到光學(xué)工程中。國(guó)內(nèi)的一些專(zhuān)家從相變理論和熱彈塑性理論出發(fā)，通過(guò)對(duì)相關(guān)環(huán)境中的變熱物性參數(shù)進(jìn)行分析，建立了考慮相變和變熱物性參數(shù)的三維模型。同時(shí)對(duì)于有限元法也有一定的深入研究，對(duì)于最后的結(jié)果進(jìn)行分析論證，結(jié)果表明所采用的模型與實(shí)際情況吻合較好。在研究中通過(guò)運(yùn)用有限差分方法，進(jìn)行相變硬化激光表面淬火非穩(wěn)定溫度場(chǎng)軟件的相關(guān)模擬和研究，對(duì)現(xiàn)實(shí)情況下進(jìn)行模擬和處理。其有限單元法在光學(xué)工程中十分常見(jiàn)，根據(jù)有限單元法的基本原理，推導(dǎo)出所建激光相變硬化模型的有限單元方程，進(jìn)而研制開(kāi)發(fā)出了激光相變硬化有限元模擬分析軟件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該軟件是可靠實(shí)用的。

4.結(jié)語(yǔ)

在光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)指標(biāo)對(duì)其來(lái)說(shuō)十分重要，在光學(xué)工程中要保證一定的光學(xué)指標(biāo)符合要求同時(shí)對(duì)于凈質(zhì)量要求也十分嚴(yán)格，尤其是在光學(xué)工程中，其有著重要的質(zhì)量要求，本文通過(guò)對(duì)有限元法在光學(xué)工程中的應(yīng)用進(jìn)行論述，從而認(rèn)識(shí)到有限元法的重要位置[6]，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行闡述，更好的實(shí)現(xiàn)有限元法在光學(xué)工程中的應(yīng)用與研究。其眾多的研究方法中，數(shù)值計(jì)算法十分的嚴(yán)格和準(zhǔn)確，相對(duì)于其他的計(jì)算方法來(lái)說(shuō)也十分的靈活，可以實(shí)現(xiàn)很多假設(shè)條件的計(jì)算，同時(shí)，數(shù)值計(jì)算方法主要有有限差分法和有限元法。其中，有限差分法其在具體的應(yīng)用中相對(duì)便捷，其在計(jì)算中也相對(duì)較好操作，對(duì)于一些復(fù)雜的條件下，例如不規(guī)則形狀等下，進(jìn)行靈活的應(yīng)用，進(jìn)行計(jì)算。在光學(xué)工程中其材料的選擇上，選擇物美價(jià)廉的材料，實(shí)現(xiàn)反射鏡的整體質(zhì)量要求的同時(shí)，保證成本的最低，對(duì)材料的要求相對(duì)較高，對(duì)重量方面和彎曲程度都有著一定的要求。其反射鏡在光學(xué)工程中，有著重要的作用，其有著不能代替的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)會(huì)廣泛應(yīng)用到光學(xué)工程中。因此，如何設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)其凈質(zhì)量不會(huì)過(guò)大，同時(shí)又能保證光學(xué)成像質(zhì)量的系統(tǒng)，這是首先去思考的問(wèn)題，在這之上還要在安裝發(fā)射等環(huán)節(jié)中，確保不出現(xiàn)瑕疵，保證質(zhì)量，保證光學(xué)工程穩(wěn)定運(yùn)行。