現貨空運發貨 1756-L84E 羅克韋爾 模塊

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01

背景

光學系統中常見的機械故障是支撐結構的剛度不足。剛度對于保持光學元件的對中和實現足夠的光學性能至關重要。機械工程師有責任在機械設計中提供足夠的剛度。

光學工程師喜歡將機械工程師的結構設計導入到他們的光學設計程序中來對其進行評估。這個過程包括將機械工程師的CAD模型導入到結構分析有限元程序中，然后再將有限元分析結果導入到光學設計程序中。為了方便這個操作，光學工程師開發了解析器和插值器，這使得光學工程師可以觀察到機械設計對光學圖像的影響。光學程序通常是針對光學幾何的大位移非線性求解器。

對于機械工程師來說，這個過程有兩個缺點。首先，它需要一個比較完整的系統CAD模型，而這個模型只有在機械設計的后期才能給出。因此，機械設計的缺陷只能在機械設計過程的后期才被發現。其次，通過解析器和插值器從光學效應追蹤到可能導致光學問題的機械設計特征是有問題的。因此，難以對機械設計制定合理、有效的變更。

光學工程師認為需要使用他們的大位移非線性程序來分析機械變形引起的擾動。然而，對于1米尺寸大小的結構，光學元件允許的變形通常很小，在微米量級。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。事實上，可以認為光學函數比固體力學函數更具線性，而有限元方法本身也是固體力學函數的線性簡化。

02

挑戰

機械工程師在光學系統設計中的工作是檢查機械設計空間，尋找潛在的光學問題。為此，機械工程師需要工具將設計的力學行為與系統的光學行為聯系起來。這些工具需要適用于早期簡化的設計概念模型以及終確定的詳細CAD模型，需要與光學工程師和機械工程師在項目后期可能進行的任何分析保持一致。

03

解決方案

提供軟件工具，讓機械工程師直接分析機械設計如何影響光學性能，而不必依賴光學工程師或他們的光學軟件。Alson E.Hatheway Inc. (AEH)公司的Ivory光機建模工具（AEH/Ivory）能夠讓機械工程師完全在海克斯康MSC Nastran有限元分析軟件中對光機系統設計的光學性能進行早期、快速、有效的評估。這也消除了在力學程序和光學程序之間交換數據時可能出現的不確定性和誤差。

AEH/Ivory還支持經常與MSC Nastran結果結合使用的手工計算和Excel電子表格分析。

在一個設計高光譜成像儀的項目中，AEH/Ivory被用于將系統的光學方案作為輸入數據文件導入到MSC Nastran中，通過系統跟蹤所有光學圖像，并報告MSC Nastran計算的探測器上終圖像的靜態和動態運動。這種方法在早期給出了關于剛度是否足夠的有意義的數值，并且在整個開發過程中可以跟蹤這些值。

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案例：高光譜成像儀

使用軟件工具，成像儀由九個光學元件和一個探測器組成。光學方案是描述光學元件表面的一組屬性參數：曲率半徑、光學介質的折射率、元件的厚度或元件之間的空氣空間、元件類型和特定數據，如折疊幾何的光柵常數和入射角等。AEH/Ivory將這些數據轉換為MSC Nastran的輸入數據文件，以確定探測器上的圖像運動。

在AEH/Ivory的輸入數據文件中，多點約束方程包含了圖像的影響方程。這些方程將圖像的運動與系統中所有光學元件的運動聯系起來。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動。

然后，將初始AEH/Ivory輸入數據文件導入Patran，以顯示光學元件和圖像之間的關系，以及如果任何元件移動，它將如何導致圖像移動。Patran中的這個初始MSC Nastran模型，添加了集中質量單元和梁單元以模擬支撐光學元件的結構件，用作測試模型的簡化結構。

圖1：高光譜成像儀

項目天

根據項目方案中概念性的粗略CAD模型創建概念分析模型，添加梁單元以表示擬定的結構。在簡化模型的細化中，集中質量單元被透鏡的有限元網格模型、光學元件的實際質量和結構剛度所取代。隨著AEH/Ivory的影響方程驅動圖像運動，MSC Nastran中的分析已經準備開始。

圖2：項目天的模型

項目第二天

使用MSC Nastran進行3個軸向的靜態重力分析。結果顯示質量為574.9磅，大結構變形為0.0006英寸，大圖像運動為0.0005英寸。模態頻率隨機響應分析顯示，在遠場視線中，凈視線（LOS）繞X軸旋轉18.3微弧度（均方根），繞Y軸旋轉16.7微弧度，繞Z軸旋轉9.1微弧度。

圖3：項目第2天的模型

到第四天，這一細化分析流程給出光學系統將具有+/-13.6微弧度的靜態視線旋轉和18.3微弧度（均方根）的隨機視線旋轉。這些結果表明結構設計有足夠的裕度，如果沒有，分析將提供足夠的信息來建議在材料、厚度、直徑或其他方面進行改進的地方。

接下來，將簡化的梁單元替換為實體結構模型，以完善剛度估計。分析從復合彎管鑄件開始，其中實體結構的替代，計算的視線誤差增加到21.5微弧度（均方根）；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），仍在可接受的限度內。

使用MSC Nastran的優勢：

?  節省了項目數月的計劃時間

?  節省了數十萬美元費用

?  從機械結構設計工作的一開始就保證結構設計正確

工程師完成了物鏡鑄件的網格劃分和分析，根據分析，在對這一零件進行了一些修改后，到周，團隊就有了一個有信心的結構，總體的視線誤差計算為18.6微弧度(均方根)。

圖4：隨著模型從集中質量和梁單元發展到

網格化和連接的3D模型，結果不斷得到細化

05

總結

AEH公司的Ivory光機建模工具能夠讓機械工程師完全在MSC Nastran有限元分析軟件中對光機系統設計的光學性能進行早期、快速、有效的評估。正如AEH 公司的總裁Alson Hatheway所說：“AEH/Ivory和MSC Nastran可以確保光學結構從機械結構設計一開始就有足夠的剛度，為項目節省了數月的計劃時間和數十萬美元的成本。”

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