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        光学系统设计中，涉及到结构、热、光学、控制、可靠性等多学科的众多因素，传统研发流程采取对光学系统各模块的热状况、结构强度状况、光学特性等进行单向设计，然后通过试验进行总体校核；若某项性能不满足要求，则需修改设计再重复整个设计流程，在寻求综合性能较好的方案时，需分析大量方案，且在几何模型、仿真模型、试验报告等数据管理环境不统一，难以指导设计，同时导致设计周期延长、研制费用增加等问题。

       多学科集成与设计优化思路就是解决上述问题的重要途径，其主要思想是基于专业的多学科仿真流程集成与性能优化平台，在复杂光学系统的整个设计过程中集成各个子学科的知识，应用有效的试验方案设计和优化策略组织和管理复杂设计过程，通过充分考虑各个学科(子系统)之间的相互作用，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，调用数据库实现数据管理和权限管理等。

凯发娱乐登录的解决方案

         光学系统设计中，结构、热、光学模型之间数据传递存在的输入与输出文件格式各不相同、热分析与结构分析结果文件不能在光学设计软件中直接使用，要完成多学科集成分析，首先应处理该问题，可通过光学前处理工具sigfit将有限元分析得到的应力分布、变形、温度分析等导致的镜面刚体位移和高阶变形，通过多项式拟合或点阵图插值，输出光学分析工具识别的中间宏文件，分析由各种外部载荷作用下镜面变形对光学性能的影响。

      在引入sigfit软件后，右图某光机模型在考虑热条件下的镜头组光学单向分析流程可按如下步骤进行：

      一，利用光学设计软件codev，先建立满足设计指标要求的光路原理，并对光学性能进行仿真预测，通过调整设计参数确定镜头组的几何参数；

      二，利用几何结构设计软件creo，基于光学镜头组的参数建立镜头组的参数化三维模型，并基于镜头组模型设计相配合的支撑等结构模型；

      三，基于creo输出的三维模型，在有限元仿真软件abaqus中划分网格，并施加热、力等边界条件，分析振动、冲击、预紧、传热等对镜头及结构件的影响，得到光机结构的应力、变形结果；

      四，将abaqus的温度、应力分析结果，用光机热耦合软件sigfit的泽尼克拟合等功能，转换为光路设计能够使用的数据文件；

      五：将sigfit的输出数据加载到光学设计软件codev中，分析在实际受力、受热条件下光学性能的变化情况。

      如果光学性能变化很大，则需重新回到一改进光路设计并进行后续的仿真预测步骤，直到光机产品在实际的力、热环境下光学性能仍能够满足指标要求为止。

      上述流程多次迭代能够解决考虑外部复杂热、冲击等载荷作用对镜面光学性能影响的首要问题，但这一迭代过程可能需要频繁地修改参数、执行仿真运算，且难以对光学性能参数进行优化，更重要的是需要工程师根据经验确定合适参数值。为了提高效率，采用多学科仿真流程集成与参数优化软件optimus将各工具集成起来，在仿真运算结束后，只要工程师设定参数范围，optimus就能够自动调用相关软件执行运行并自动优化，直到优化结果满足光学设计指标。

      在实际应用中，各工具除了已列出的工具外，结构设计工具也可以选用catia、nx、solidworks等，有限元仿真工具也可以选用ansys、nastran、solidworks等，光学工具也可以选用zemax。

应用案例

       在optimus环境中将上述光机设备设计、分析所需要的输入及输出文件数据提取后，搭建的完整光机多学科设计分析流程，上游creo部分结构建模参数由光学系统提供并参数化，输出中性文件后由abaqus完成热应力分析，计算镜头组在温度20°c变化至60°c时镜面变形量，后在sigfit中完成面型拟合后导入codev进行光学分析，并提取镜面rms参数，作为总体优化的目标，设计变量为镜面组几何结构参数，约束主要为几何结构参数数值范围，图中较为清晰得展现出该分析流程各子学科所需要的输入及输出文件，基于该流程，还可以开展实验设计、响应面建模等工作。

         在完成优化流程后可直接在.lis文件中提取rms值或是直接查看输出的plt图，优化前、后对spot diagram如下两图所示，镜面组rms值降低了21.43%。 

总结

        光-机-热分析流程集成与优化设计方案是一个通用的光学设计流程，用于光学系统设计的流程化和自动化，并具有很高的灵活性（可以自动或人工干预设计过程的每个环节）。

通过sigfit的泽尼克多项式拟合功能，能够直接将热与结构分析的结果应用于光学设计，更准确地预测光学系统中实际应用环境下的光学性能。

       多学科集成优化工具optimus可以按用户需求集成光学系统设计仿真中的任何商业程序或自编程序，并能够在既有集成流程的基础上添加任意其它专业的分析流程或工具，并很方便地处理各流程间的数据交互；在光-机-热分析流程搭建后，可在统一的平台下实现设计、仿真、试验方案确定、参数敏感度分析、优化设计、可靠性和鲁棒性评估、集成仿真流程、数据管理、决策支持。