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挑战

        光学系统的性能受到环境振动、生热、重力、支撑预紧力、介质密度变化等多种因素以及控制系统等的影响，因此，高精度的光学设计需要考虑热学、力学、光学和控制等多学科的因素，进行一体化的综合设计。

        在光学系统的传统设计中，先在光学工具中完成设计，再手动单独分析结构变形和振动、传热、介质密度变化、控制等对光学系统性能的影响，属于事后验证试验。这种方法的不足之处在于：研发设计流程几乎是对各模块的热状况、结构强度状况、光学特性等进行独立的单向设计，缺少对整个系统各项性能的综合考虑；一旦某项性能不满足要求，就需要修改设计再重复整个设计流程，延长了设计周期、增加了研制费用。针对上述问题，基于多学科集成与设计优化的思路，采用cad/cae相结合，把光学系统当作一个有机的整体，全面考虑光、机、热等的相互作用，综合考虑各分系统设计参数，以达到整个系统参数的优化。

 

凯发娱乐登录的解决方案

        基于有限元分析输出的温度分布、变形、应力分布、模态等结果，光学前处理工具sigfit把变形导致的光学表面的刚体位移和高阶表面变形通过泽尼克多项式拟合或点阵图插值，输出光学工具codev或zemax能够直接读取的宏命令文件来考虑变形对光学性能的影响；也可以把透镜折射率随温度和应力的变化、介质密度变化等引起的光程差结果，通过泽尼克多项式拟合输出给光学工具考虑热和应力对光学性能的影响。

        光机热耦合分析中，通常首先进行热分析，可以基于thermica/thermisol、radtherm等分别进行外太空和大气层内的热状态分析；输出温度结果给有限元模型，在abaqus等工具中考虑机械载荷后分析镜片和结构的位移和应力；在流体分析工具中分析考虑气动载荷等时光学系统视场范围介质的流动状况，得到介质密度的分布情况。前述热分析、结构分析和流体分析都是基于有限元法或有限体积法的离散模型，需要通过sigfit进行多项式拟合或插值，得到光学工具codev、zemax等工具能够直接读取的连续模型，从而在光学分析中直接考虑温度、位移、应力、介质密度等，获得光学系统受这些因素的影响之后的各项光学系统性能，如面型的rms或p-v值、mtf值、opd值以及双折射的状况等。

 

光机热耦合分析流程

        对于口径很大或者面型精度很高的镜面，通常采用自适应控制的方式，通过在多个位置安装促动器来根据环境载荷状况自动调整面型。sigfit可以基于有限元分析的位移和变形结果自动完成促动器布局设计和优化。对于振动引起的视轴晃动等，sigfit可以基于有限元自然频率数据分析不同激励下的振动对光学系统mtf的影响。

        当整个分析流程都固化之后，可以基于多学科集成与设计优化的思路，按照光学系统设计流程，在集成优化工具optimus中集成各种专业工具，实现各工具之间的自动调用及不同学科之间的自动参数优化。

 

一体化集成优化方案

        在整个设计过程中集成各个学科的知识，利用optimus多学科优化设计能力，能够基于分析结果或试验结果，综合考虑各学科的性能要求及约束进行参数组合的自动寻优，获得系统综合性能优的设计方案，并利用分布式并行计算的思路来缩短设计周期。

 

应用案例

        某轨道望远镜主镜（由三角形芯板单元和前后面板组成的大型轻型镜面）需要通过优化前后面板厚度和芯板厚度减轻主镜重量，同时满足固有频率和发射应力等要求。为此，sigfit将光学性能参数转换为结构方程，然后利用nastran的优化功能来优化前后面板厚度和芯板厚度，在满足固有频率、发射应力、运行中主镜面型rms等约束条件下，获得了主镜设计。 

 

图 轨道望远镜分析结果

 

总结

        通过光学前处理工具sigfit可以在光学设计中直接考虑温度、变形、应力、介质密度变化等对光学性能的影响，从而提高光学设计仿真的精度。基于多学科集成与设计优化的思路，实现热、机械、光学等多学科的自动化仿真与设计优化。