设计仿真 | MSC Nastran助力AEH公司光学系统的机械设计

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背 景

光学系统中常见的机械故障是支撑结构的刚度不足。刚度对于保持光学元件的对中和实现足够的光学性能至关重要。机械工程师有责任在机械设计中提供足够的刚度。

光学工程师喜欢将机械工程师的结构设计导入到他们的光学设计程序中来对其进行评估。这个过程包括将机械工程师的CAD模型导入到结构分析有限元程序中，然后再将有限元分析结果导入到光学设计程序中。为了方便这个操作，光学工程师开发了解析器和插值器，这使得光学工程师可以观察到机械设计对光学图像的影响。光学程序通常是针对光学几何的大位移非线性求解器。

对于机械工程师来说，这个过程有两个缺点。首先，它需要一个比较完整的系统CAD模型，而这个模型只有在机械设计的后期才能给出。因此，机械设计的缺陷只能在机械设计过程的后期才被发现。其次，通过解析器和插值器从光学效应追踪到可能导致光学问题的机械设计特征是有问题的。因此，难以对机械设计制定合理、有效的变更。

光学工程师认为需要使用他们的大位移非线性程序来分析机械变形引起的扰动。然而，对于1米尺寸大小的结构，光学元件允许的变形通常很小，在微米量级。对于这种大小的扰动，可以表明工程精度不需要非线性求解器。事实上，可以认为光学函数比固体力学函数更具线性，而有限元方法本身也是固体力学函数的线性简化。

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挑 战

机械工程师在光学系统设计中的工作是检查机械设计空间，寻找潜在的光学问题。为此，机械工程师需要工具将设计的力学行为与系统的光学行为联系起来。这些工具需要适用于早期简化的设计概念模型以及最终确定的详细CAD模型，需要与光学工程师和机械工程师在项目后期可能进行的任何分析保持一致。

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解 决 方 案

提供软件工具，让机械工程师直接分析机械设计如何影响光学性能，而不必依赖光学工程师或他们专业的光学软件。Alson E.Hatheway Inc. (AEH)公司的Ivory光机建模工具（AEH/Ivory）能够让机械工程师完全在海克斯康MSC Nastran有限元分析软件中对光机系统设计的光学性能进行早期、快速、有效的评估。这也消除了在力学程序和光学程序之间交换数据时可能出现的不确定性和误差。

AEH/Ivory还支持经常与MSC Nastran结果结合使用的手工计算和Excel电子表格分析。

在一个设计高光谱成像仪的项目中，AEH/Ivory被用于将系统的光学方案作为输入数据文件导入到MSC Nastran中，通过系统跟踪所有光学图像，并报告MSC Nastran计算的探测器上最终图像的静态和动态运动。这种方法在早期给出了关于刚度是否足够的有意义的数值，并且在整个开发过程中可以跟踪这些值。

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案例：高光谱成像仪

使用软件工具，成像仪由九个光学元件和一个探测器组成。光学方案是描述光学元件表面的一组属性参数：曲率半径、光学介质的折射率、元件的厚度或元件之间的空气空间、元件类型和特定数据，如折叠几何的光栅常数和入射角等。AEH/Ivory将这些数据转换为MSC Nastran的输入数据文件，以确定探测器上的图像运动。

在AEH/Ivory的输入数据文件中，多点约束方程包含了图像的影响方程。这些方程将图像的运动与系统中所有光学元件的运动联系起来。然后可以在MSC Nastran中确定基于影响方程的探测器处的图像运动。

然后，将初始AEH/Ivory输入数据文件导入Patran，以显示光学元件和图像之间的关系，以及如果任何元件移动，它将如何导致图像移动。Patran中的这个初始MSC Nastran模型，添加了集中质量单元和梁单元以模拟支撑光学元件的结构件，用作测试模型的简化结构。

图 1 ：高光谱成像仪

项目第一天

根据项目方案中概念性的粗略CAD模型创建概念分析模型，添加梁单元以表示拟定的结构。在简化模型的首次细化中，集中质量单元被透镜的有限元网格模型、光学元件的实际质量和结构刚度所取代。随着AEH/Ivory的影响方程驱动图像运动，MSC Nastran中的分析已经准备开始。

图2：项目第一天的模型

项目第二天

使用MSC Nastran进行3个轴向的静态重力分析。结果显示质量为574.9磅，最大结构变形为0.0006英寸，最大图像运动为0.0005英寸。模态频率随机响应分析显示，在远场视线中，净视线（LOS）绕X轴旋转18.3微弧度（均方根），绕Y轴旋转16.7微弧度，绕Z轴旋转9.1微弧度。

图3：项目第2天的模型

到第四天，这一细化分析流程给出光学系统将具有+/-13.6微弧度的静态视线旋转和18.3微弧度（均方根）的随机视线旋转。这些结果表明结构设计有足够的裕度，如果没有，分析将提供足够的信息来建议在材料、厚度、直径或其他方面进行改进的地方。

接下来，将简化的梁单元替换为实体结构模型，以完善刚度估计。分析从复合弯管铸件开始，其中实体结构的替代，计算的视线误差增加到21.5微弧度（均方根）；添加探测器外壳的实体模型，视线误差增大到22.0微弧度（均方根），仍在可接受的限度内。

使用MSC Nastran的优势：

• 节省了项目数月的计划时间

• 节省了数十万美元费用

• 从机械结构设计工作的一开始就保证结构设计正确

工程师完成了物镜铸件的网格划分和分析，根据分析，在对这一零件进行了一些修改后，到第一周，团队就有了一个有信心的结构，总体的视线误差计算为18.6微弧度(均方根)。

图4：随着模型从集中质量和梁单元发展到

网格化和连接的3D模型，结果不断得到细化

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总 结

AEH公司的Ivory光机建模工具能够让机械工程师完全在MSC Nastran有限元分析软件中对光机系统设计的光学性能进行早期、快速、有效的评估。正如AEH 公司的总裁Alson Hatheway所说：“AEH/Ivory和MSC Nastran可以确保光学结构从机械结构设计一开始就有足够的刚度，为项目节省了数月的计划时间和数十万美元的成本。”