光-机-热联合仿真分析

胡志栋　罗婷婷

【摘 要】光学系统在军事、航空航天、民用等领域应用越来越广，光学系统要满足特定的需求，光学元件载体所在的光学系统工作环境非常复杂，特别是热环境，温度的变化会引起光学系统的热胀冷缩，从而影响成像质量。因此，在设计阶段对光-机-热进行联合仿真分析，为光学系统设计提供指导性的参考是非常必要的。文章应用Workbench、Sigfit和Zemax软件进行了实例联合仿真分析，探索了光-机-热联合仿真的过程，为实际工程设计提供了参考。

【关键词】光-机-热;联合仿真;Workbench;Sigfit;Zemax

【中图分类号】V441 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）07-0055-03

0 引言

由于光学系统的高精密性需求，光学系统（如夜视镜、望远镜、空间相机、航空相机、经纬仪等）的研制涵盖了光学、结构、热力学、电子等多学科的内容，各个学科之间紧密联系，相互影响。因此，在进行光学系统设计时，需综合考虑光、机、热等对系统成像性能所造成的影响。

在传统的光机结构设计中，光学分析、结构分析和热分析是相互分离的。设计光学系统时，首先由光学设计人员对光机系统提出结构上的要求，然后结构设计人员对外界的温度环境提出要求，有限的温控措施又最终会影响光学分析的结果，由此可见，设计一个合理的光机系统是非常耗时耗力的。针对上述情况，国外于1981年提出了光机热集成分析的概念，希望将各类影响因素加以综合考虑，最终提高整个光机系统的成像质量。随后的30年内，光机热集成分析得到大量应用，美国国家宇航局及我国几大光机所在设计大型光机系统时，都用到了光机热集成分析技术。

随着仿真技术的广泛应用，针对光学系统设计过程中光机热集成分析问题，“索辰”自主研发了光机热协同仿真系统STOP（Structure/Thermal/Optics Performance）。该款软件利用索辰独有的多维度模型技术、标签技术，实现了光机热多学科协同仿真，并基于流程模板技术，实现了快速多方案参数化设计，满足光学设计人员高效率和高精度的设计需求。

美国Sigmadyne公司在光机热耦合仿真分析领域有几十年的经验，向客户提供光机热集成分析方案和专家级咨询服务。Sigfit软件由Sigmadyne公司开发，它是一款光机热耦合分析工具。Sigfit能够直接将有限元分析工具（MSC Nastran、Ansys和Abaqus）与光学分析工具（CodeV、Zemax和OSLO）集成，并可以通过有限元分析工具和热分析工具的接口能力将Radtherm、MSC Sinda和Thermica等辐射与热分析工具集成到一起，从而实现热、机、光的完美耦合;可以将有限元分析得到的光学面形等结果文件通过泽尼克多项式拟合或者插值转化为光学工具的输入文件，并可实现主动控制的促动器布局优化、动态响应分析、光程差分析及应力双折射效应、设计优化等。该工具在光学系统设计、光存储、激光打印、激光通信及灯具设计等领域得到广泛应用。

1 光-机-热分析过程

分析的实例模型如图1所示，模型自由放置在水平面上，环境温度分别设置为60 ℃和-40 ℃。

将6个镜片单独显示并进行编号（如图2所示）;光路如图3所示。镜子1和框架的材料为铝，镜子2-6的材料为石英玻璃。

1.1 整体分析

首先进行整体分析，考虑模型内部一个10 W的热源，并设置环境温度，得到升温和降温过程模型整体的温度分布和变形云图分别如图4、图5所示。

1.2 单个镜片分析

以镜子1为例，分析其在温度变化下的镜面面形和光轴的变化。镜子1的三维模型和网格划分如图6所示。

1.2.1 升温过程分析

升溫过程镜面的变形云图如图7所示，面形分析结果如图8所示。面形分析结果如下：绕X轴转角9.876E-06rad，绕Y轴转角2.660E-07rad，绕Z轴转角1.221E-06rad;镜面面形RMS值为1.064E-04 mm，P-V值为4.337E-04 mm。

1.2.2 降温过程分析

降温过程镜面面形分析结果如图9所示。面形分析结果如下：绕X轴转角-1.611E-05rad，绕Y轴转角-4.333E-07rad，绕Z轴转角-1.999E-06rad;镜面面形RMS值为1.736E-04 mm，P-V值为7.075E-04 mm。

1.3 光轴分析

综合6个镜片的面形的分析结果，然后导入Zemax内得到光轴的漂移值（如图10所示）。

2 结语

通过对三维模型的光-机-热联合仿真分析可以给出光轴在温度变化的情况下变化值，为今后的设计提供一定的参考，进而提高工程应用，更好地满足用户的需求。

参 考 文 献

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