光学系统 | 使用Ansys Mechanical生成有限元分析结果（3）

本文原刊登于Ansys Blog：《From Concept to CubeSat Part 3: Using Ansys Mechanical to Generate Finite Element Analysis Results》

作者：Jordan Teich | Ansys应用工程师

编辑整理：谷晨风 | Ansys高级应用工程师

在航空航天行业中，立方体卫星已成为一种适用于太空光学系统的低成本、易于制造的解决方案。本系列博客介绍了如何使用Ansys Zemax软件将立方体卫星从最初的光学设计转变为光机封装，以便进行结构-热-光学性能（STOP）分析。

对于光机有效载荷，必须考虑其将在轨道上‍受到的‍应力和热影响。‍利用Ansys Mechanical，用户可以‍通过有限元分析（FEA）来分析这些影响。‍在FEA‍阶段之前，可使用Mechanical对光机模型进行网格划分，并为分析定义边界条件。完成FEA后，Mechanical中的“Export to STAR”扩展提供了一个简化的流程，用于准备与Ansys OpticStudio STAR模块一起使用的数据。

如‍希望了解整个工作流程，可从本系列博客的第‍一部分开始：使用Ansys Zemax开发立方体卫星系统。

在本系列博客的第‍二部分中，使用OpticsBuilder在PTC Creo中完成了光机设计。接下来，将完成的设计导出为STEP文件。在Mechanical中，打开STEP文件并为FEA做好准备。在本示例中，为设计定义了以下材料‍选项：

• 两个反射镜均由低热膨胀系数（CTE）铝基板制成（Al-MS40Si）2。

• 主框架由碳纤维增强聚合物制成。

• 计量杆由殷瓦合金制成。

• 假定图像传感器由印刷电路板（PCB）层压材料制成。

材料定义

将材料‍选项‍赋予模型后，对其进行网格划分。网格由包含节点（表示几何结构形状）的单元组成。对于网格，需要注意的是，两个镜面的单元尺寸已进行调整，使每个镜面至少包含10,000个节点。将FEA数据‍导入OpticStudio STAR模块以供将来分析‍时，大量节点可确保良好的拟合‍精度。下图显示了用于光机模型的最终网格。

在Ansys Mechanical中定义的网格

在本示例中，考虑的唯一载荷是热条件，该条件‍会使所有组件根据其热膨胀系数（CTE）进行膨胀。假定立方体卫星的辐射控制系统将使光学元件免受温度大幅波动的影响。选择12°C、15°C和18°C的离散温度来代表立方体卫星在近地轨道（LEO）上的工作温度范围。

OpticStudio中的标称设计假定是在21°C的室温环境中构建的，这是定义几何结构时的参考温度。

Mechanical中实施的温度如下所示：

在对光机械模型进行网格划分并确定热载荷后，在Mechanical中进行FEA。下图展示了最低工作温度（12°C）下的结构变形影响。

结构变形结果

由于此有效载荷由两个反射镜组成，因此只求解了结构变形数据。如果将任何折射组件集成到系统中，则有必要求解整个光学系统的‍受热引起的折射率变化。结构变形数据和‍折射率数据都可以导出到OpticStudio STAR模块，用于分析它们对系统级性能的影响。

完成FEA后，下一步是将两个反射镜的结构变形数据导入OpticStudio STAR模块。‍利用Mechanical Export to STAR ACT扩展，‍就可以轻松地将结构变形数据导出为STAR使用的文本文件格式。如‍希望了解有关此扩展的更多信息，请阅读Ansys Zemax网站知识库‍的文章。