光-機-熱聯合仿真分析

胡志棟　羅婷婷

【摘 要】光學系統在軍事、航空航天、民用等領域應用越來越廣，光學系統要滿足特定的需求，光學元件載體所在的光學系統工作環境非常復雜，特別是熱環境，溫度的變化會引起光學系統的熱脹冷縮，從而影響成像質量。因此，在設計階段對光-機-熱進行聯合仿真分析，為光學系統設計提供指導性的參考是非常必要的。文章應用Workbench、Sigfit和Zemax軟件進行了實例聯合仿真分析，探索了光-機-熱聯合仿真的過程，為實際工程設計提供了參考。

【關鍵詞】光-機-熱;聯合仿真;Workbench;Sigfit;Zemax

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

0 引言

由于光學系統的高精密性需求，光學系統（如夜視鏡、望遠鏡、空間相機、航空相機、經緯儀等）的研制涵蓋了光學、結構、熱力學、電子等多學科的內容，各個學科之間緊密聯系，相互影響。因此，在進行光學系統設計時，需綜合考慮光、機、熱等對系統成像性能所造成的影響。

在傳統的光機結構設計中，光學分析、結構分析和熱分析是相互分離的。設計光學系統時，首先由光學設計人員對光機系統提出結構上的要求，然后結構設計人員對外界的溫度環境提出要求，有限的溫控措施又最終會影響光學分析的結果，由此可見，設計一個合理的光機系統是非常耗時耗力的。針對上述情況，國外于1981年提出了光機熱集成分析的概念，希望將各類影響因素加以綜合考慮，最終提高整個光機系統的成像質量。隨后的30年內，光機熱集成分析得到大量應用，美國國家宇航局及我國幾大光機所在設計大型光機系統時，都用到了光機熱集成分析技術。

隨著仿真技術的廣泛應用，針對光學系統設計過程中光機熱集成分析問題，“索辰”自主研發了光機熱協同仿真系統STOP（Structure/Thermal/Optics Performance）。該款軟件利用索辰獨有的多維度模型技術、標簽技術，實現了光機熱多學科協同仿真，并基于流程模板技術，實現了快速多方案參數化設計，滿足光學設計人員高效率和高精度的設計需求。

美國Sigmadyne公司在光機熱耦合仿真分析領域有幾十年的經驗，向客戶提供光機熱集成分析方案和專家級咨詢服務。Sigfit軟件由Sigmadyne公司開發，它是一款光機熱耦合分析工具。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，從而實現熱、機、光的完美耦合;可以將有限元分析得到的光學面形等結果文件通過澤尼克多項式擬合或者插值轉化為光學工具的輸入文件，并可實現主動控制的促動器布局優化、動態響應分析、光程差分析及應力雙折射效應、設計優化等。該工具在光學系統設計、光存儲、激光打印、激光通信及燈具設計等領域得到廣泛應用。

1 光-機-熱分析過程

分析的實例模型如圖1所示，模型自由放置在水平面上，環境溫度分別設置為60 ℃和-40 ℃。

將6個鏡片單獨顯示并進行編號（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

首先進行整體分析，考慮模型內部一個10 W的熱源，并設置環境溫度，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，面形分析結果如圖8所示。面形分析結果如下：繞X軸轉角9.876E-06rad，繞Y軸轉角2.660E-07rad，繞Z軸轉角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果如圖9所示。面形分析結果如下：繞X軸轉角-1.611E-05rad，繞Y軸轉角-4.333E-07rad，繞Z軸轉角-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個鏡片的面形的分析結果，然后導入Zemax內得到光軸的漂移值（如圖10所示）。

2 結語

通過對三維模型的光-機-熱聯合仿真分析可以給出光軸在溫度變化的情況下變化值，為今后的設計提供一定的參考，進而提高工程應用，更好地滿足用戶的需求。

參 考 文 獻

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