01

背 景

光學(xué)系統(tǒng)中常見的機(jī)械故障是支撐結(jié)構(gòu)的剛度不足。剛度對于保持光學(xué)元件的對中和實現(xiàn)足夠的光學(xué)性能至關(guān)重要汉形。機(jī)械工程師有責(zé)任在機(jī)械設(shè)計中提供足夠的剛度。

光學(xué)工程師喜歡將機(jī)械工程師的結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)入到他們的光學(xué)設(shè)計程序中來對其進(jìn)行評估倍阐。這個過程包括將機(jī)械工程師的CAD模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析有限元程序中概疆，然后再將有限元分析結(jié)果導(dǎo)入到光學(xué)設(shè)計程序中。為了方便這個操作峰搪，光學(xué)工程師開發(fā)了解析器和插值器岔冀，這使得光學(xué)工程師可以觀察到機(jī)械設(shè)計對光學(xué)圖像的影響。光學(xué)程序通常是針對光學(xué)幾何的大位移非線性求解器概耻。

對于機(jī)械工程師來說使套，這個過程有兩個缺點。首先鞠柄，它需要一個比較完整的系統(tǒng)CAD模型确确，而這個模型只有在機(jī)械設(shè)計的后期才能給出尺夺。因此，機(jī)械設(shè)計的缺陷只能在機(jī)械設(shè)計過程的后期才被發(fā)現(xiàn)面啄。其次臣碟，通過解析器和插值器從光學(xué)效應(yīng)追蹤到可能導(dǎo)致光學(xué)問題的機(jī)械設(shè)計特征是有問題的。因此降乔，難以對機(jī)械設(shè)計制定合理踊眠、有效的變更。

光學(xué)工程師認(rèn)為需要使用他們的大位移非線性程序來分析機(jī)械變形引起的擾動讨楔。然而布缨，對于1米尺寸大小的結(jié)構(gòu)，光學(xué)元件允許的變形通常很小玻市，在微米量級柜涛。對于這種大小的擾動，可以表明工程精度不需要非線性求解器父独。事實上格缘，可以認(rèn)為光學(xué)函數(shù)比固體力學(xué)函數(shù)更具線性，而有限元方法本身也是固體力學(xué)函數(shù)的線性簡化酬屉。

02

挑 戰(zhàn)

機(jī)械工程師在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中的工作是檢查機(jī)械設(shè)計空間半等，尋找潛在的光學(xué)問題。為此呐萨，機(jī)械工程師需要工具將設(shè)計的力學(xué)行為與系統(tǒng)的光學(xué)行為聯(lián)系起來杀饵。這些工具需要適用于早期簡化的設(shè)計概念模型以及最終確定的詳細(xì)CAD模型，需要與光學(xué)工程師和機(jī)械工程師在項目后期可能進(jìn)行的任何分析保持一致谬擦。

03

解 決 方 案

提供軟件工具切距，讓機(jī)械工程師直接分析機(jī)械設(shè)計如何影響光學(xué)性能，而不必依賴光學(xué)工程師或他們專業(yè)的光學(xué)軟件惨远。Alson E.Hatheway Inc. (AEH)公司的Ivory光機(jī)建模工具（AEH/Ivory）能夠讓機(jī)械工程師完全在好瘴颍克斯康MSC Nastran有限元分析軟件中對光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的光學(xué)性能進(jìn)行早期、快速北秽、有效的評估葡幸。這也消除了在力學(xué)程序和光學(xué)程序之間交換數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)的不確定性和誤差。

AEH/Ivory還支持經(jīng)常與MSC Nastran結(jié)果結(jié)合使用的手工計算和Excel電子表格分析羡儿。

在一個設(shè)計高光譜成像儀的項目中礼患，AEH/Ivory被用于將系統(tǒng)的光學(xué)方案作為輸入數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到MSC Nastran中，通過系統(tǒng)跟蹤所有光學(xué)圖像姥购，并報告MSC Nastran計算的探測器上最終圖像的靜態(tài)和動態(tài)運(yùn)動渺因。這種方法在早期給出了關(guān)于剛度是否足夠的有意義的數(shù)值，并且在整個開發(fā)過程中可以跟蹤這些值概给。

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案例：高光譜成像儀

使用軟件工具妙裸，成像儀由九個光學(xué)元件和一個探測器組成姨桩。光學(xué)方案是描述光學(xué)元件表面的一組屬性參數(shù)：曲率半徑、光學(xué)介質(zhì)的折射率睁去、元件的厚度或元件之間的空氣空間戚促、元件類型和特定數(shù)據(jù)，如折疊幾何的光柵常數(shù)和入射角等殃宜。AEH/Ivory將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MSC Nastran的輸入數(shù)據(jù)文件睡誉，以確定探測器上的圖像運(yùn)動。

在AEH/Ivory的輸入數(shù)據(jù)文件中挟撑，多點約束方程包含了圖像的影響方程伤很。這些方程將圖像的運(yùn)動與系統(tǒng)中所有光學(xué)元件的運(yùn)動聯(lián)系起來。然后可以在MSC Nastran中確定基于影響方程的探測器處的圖像運(yùn)動嫩坷。

然后肺樟，將初始AEH/Ivory輸入數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Patran，以顯示光學(xué)元件和圖像之間的關(guān)系逻淌，以及如果任何元件移動么伯，它將如何導(dǎo)致圖像移動。Patran中的這個初始MSC Nastran模型卡儒，添加了集中質(zhì)量單元和梁單元以模擬支撐光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)件田柔，用作測試模型的簡化結(jié)構(gòu)。

圖1：高光譜成像儀

項目第一天

根據(jù)項目方案中概念性的粗略CAD模型創(chuàng)建概念分析模型朋贬，添加梁單元以表示擬定的結(jié)構(gòu)凯楔。在簡化模型的首次細(xì)化中窜骄，集中質(zhì)量單元被透鏡的有限元網(wǎng)格模型锦募、光學(xué)元件的實際質(zhì)量和結(jié)構(gòu)剛度所取代。隨著AEH/Ivory的影響方程驅(qū)動圖像運(yùn)動邻遏，MSC Nastran中的分析已經(jīng)準(zhǔn)備開始糠亩。

圖2：項目第一天的模型

項目第二天

使用MSC Nastran進(jìn)行3個軸向的靜態(tài)重力分析。結(jié)果顯示質(zhì)量為574.9磅准验，最大結(jié)構(gòu)變形為0.0006英寸赎线，最大圖像運(yùn)動為0.0005英寸。模態(tài)頻率隨機(jī)響應(yīng)分析顯示躏叽，在遠(yuǎn)場視線中徽橄，凈視線（LOS）繞X軸旋轉(zhuǎn)18.3微弧度（均方根），繞Y軸旋轉(zhuǎn)16.7微弧度淹佃，繞Z軸旋轉(zhuǎn)9.1微弧度遂遂。

圖3：項目第2天的模型

到第四天，這一細(xì)化分析流程給出光學(xué)系統(tǒng)將具有+/-13.6微弧度的靜態(tài)視線旋轉(zhuǎn)和18.3微弧度（均方根）的隨機(jī)視線旋轉(zhuǎn)旁囤。這些結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計有足夠的裕度悟肉，如果沒有喝园，分析將提供足夠的信息來建議在材料、厚度乞挥、直徑或其他方面進(jìn)行改進(jìn)的地方省瓜。

接下來，將簡化的梁單元替換為實體結(jié)構(gòu)模型赤巢，以完善剛度估計彤笼。分析從復(fù)合彎管鑄件開始，其中實體結(jié)構(gòu)的替代仁热，計算的視線誤差增加到21.5微弧度（均方根）讼撒；添加探測器外殼的實體模型，視線誤差增大到22.0微弧度（均方根）股耽，仍在可接受的限度內(nèi)根盒。

使用MSC Nastran的優(yōu)勢：

?  節(jié)省了項目數(shù)月的計劃時間

?  節(jié)省了數(shù)十萬美元費(fèi)用

?  從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的一開始就保證結(jié)構(gòu)設(shè)計正確

工程師完成了物鏡鑄件的網(wǎng)格劃分和分析，根據(jù)分析物蝙，在對這一零件進(jìn)行了一些修改后炎滞，到第一周，團(tuán)隊就有了一個有信心的結(jié)構(gòu)诬乞，總體的視線誤差計算為18.6微弧度(均方根)册赛。

圖4：隨著模型從集中質(zhì)量和梁單元發(fā)展到

網(wǎng)格化和連接的3D模型，結(jié)果不斷得到細(xì)化

05

總 結(jié)

AEH公司的Ivory光機(jī)建模工具能夠讓機(jī)械工程師完全在MSC Nastran有限元分析軟件中對光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的光學(xué)性能進(jìn)行早期震嫉、快速森瘪、有效的評估。正如AEH 公司的總裁Alson Hatheway所說：“AEH/Ivory和MSC Nastran可以確保光學(xué)結(jié)構(gòu)從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計一開始就有足夠的剛度票堵，為項目節(jié)省了數(shù)月的計劃時間和數(shù)十萬美元的成本扼睬。”

（海克斯康工業(yè)軟件）

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