眼见为实--MD Nastran和SigFit结合实现光学系统性能提升

24 | MSC Software Volume 1 - Summer 2011 | 25
技术事件
Thermal Analysis
Temperatures Structural Model Displacements
Stresses
Rigid Body
Motions
Optical Analysis Higher-Order Surface Deformations Index Change:Wavefront Error Index Change:
Wavefront Error
Birefringence:
Polarization Errors Nastran
TM
SigFit Optimized Primary Mirror Telescope & Adaptive Primary Mirror
The initial design of the adaptively controlled
primary mirror satisfied requirements, but was
over-designed. The optimized design is less
than half the weight with all requirements met.
Thermal Analysis Temperatures
Structural Model
Displacements Stresses Rigid Body Motions
Optical
Analysis
Higher-Order Surface Deformations
Index Change:Wavefront Error
Index Change:Wavefront Error
Birefringence:Polarization Errors Nastran
TM
SigFit
总结
MD Nastran和SigFit结合产生改进光学系统性能的一个强有力的工具。

Reference: Genberg, V., Michels, G., Doyle, K., “Optical interface for MSC Nastran”, MSC-VPD04-31, MSC Conference Proceedings (2004).
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This article was authored by Dr. Victor Genberg, Sigmadyne
SIGMADYNE
眼见为实
光学系统性能提升环境因素降低光学性能
当光学系统被暴露于非理想环境时，其光学性能降低。

举例来说，当遭受到由激光引起的热效应时，一个设计用来产生计高质量图像的透镜系统可能低质量的图像。

光束中的能量被每个透镜吸收，引起温度梯度变化进而引起镜面变形。

第二个影响是温度梯度变化导致折射角、这些变化取决于温度与光学材料属性变化的关系。

第三个影响，影响程度稍低的是，温度梯度产生应力，进而改变折射方向。

这些因素的综合效应引起成像质量下降。

当照相机的光圈数是确定的话，
影响光学的表现的另外的一个通常的环境因素是振动。

任何在稳定状况下产生高质量影像的照相机都会因为支撑物体的振动而产生低质量的照片。

手握式照相机的振动源是人手的不稳定握持。

一个高质量成像系统的可能的振动源:冷却系统、海拔控制系统、飞机振动和周围可能的振动源。

一个好的设计团队必须能够预先考虑光学系统所处环境的影像，并且优化光学系统减轻受环境的影响程度。

MD Nastran能准确的预测光学系统的机械性能SigFig软件一个将MD Nastran软件的计算结果转化为光学性能参数的光学分析软件。

光学－结构一体化分析
集成的光学－结构分析同时考虑有限元分析中热分析、结构分析与光学分析耦合。

以透镜分析为例，首先在MD Nastran中计算光学系统的温度梯度分布，后将结果导入SigFit计算对光学系统的影响。

这些温度变化引起透镜表面变形和光学系统应力变化可以在MD Nastran利用热固耦合分析，计算后的变形和应力被到导入SigFit软件。

利用这些输入数据，SigFit能够预测温度梯度变化在光学系统中的综合影响。

SigFit可以处理将有限元结果转换为光学系统中的问题，例如坐标系变换、单位转换和面排序等。

SigFit最常
用的生成的结果文件有刚体位移、光学系统多项式系数，这些参数与其他光学分析软件的转换量级、归一化、格式相一致。

望远镜性能的提升
耦合SigFig和MDNastran的优化能力被证明是集成分析方法中最有价值的部分。

在这个案例中，一个可调节、质量最轻的主镜在满足光学性能的前提下，优化其最佳几何外形。

设计变量是透镜前、后面板厚度和透镜核心在8个分割区域的厚度。

允许透镜厚度增加至执行机构附件以提高性能。

设计目标是在满足自振频率和发射时应力的约束下，透镜质量最小。

光学性能的约束有在1G载荷作用下镜
面的RMS值，面RMS约束是可适应的近似面。

这个需要在MD Nastran SOL 200中通过DRESP3调用SigFit计算得到。

从表格中的结果可以看出，MD Nastran在保证光学和结构性能的前提下，通过2个因素减少结构质量。

其他　ＳｉｇＦｉｔ　能力
SigFit有其他能力能够和MD Nastran 更加紧密的耦合。

SigFit能将光学系统简化为线性方程，以MPC的格式导入MD Nastran，该方程组使用有限元模型的节点号和坐标系；
SigFit会将光学表面转换为多项式拟合系数，并以MPC格式导入MD Nastran，这些系数被用来精确的计算热或者机械载荷；
“MD Nastran reduced the weight by a factor of two, while maintaining the required optical and structural performance metrics.”。