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光机热耦合分析App,精密精准马上来!

概述

        美国 Sigmadyne 企业 的 SigFit App是专业 的光机热耦合分析工具,可以将有限元分析得到 的光学表面变形等结果文件通过多项式拟合或插值转化为 Zemax/CodeV 等光学分析App 的输入文件,还可实现动态响应分析、光程差分析、设计优化和主动控制光学系统 的促动器布局及优化等。SigFit 帮助用户解决了不同学科间 的数据传递难题,极大缩短了研发周期,节省了研发成本,有效提升了光学设计仿真精度,很大程度上提高了光机产品 的成像质量与环境适应性。目前,SigFit 已广泛应用于空间相机、红外光学镜头、激光引信、激光雷达、光学导引头、光学传感器、激光通信、显微光刻等 的研发阶段。

        lol总决赛下注针对客户需求,提供了成熟 的光 - 机 - 热集成分析与优化设计解决方案,基于多学科集成与设计优化 的思路,实现设计光、机械、电、热等跨学科综合系统 的自动化仿真与设计优化。

 

产品先容

基本功能
    ♦ 面型拟合
        将热与机械分析得到 的温度、应力及面型变化等分析结果导入 SigFit,通过多项式拟合或插值,转换为光学分析App可以读取 的格式,直接在光学分析App中考虑系统受到外界热、机械作用后 的光学性能变化。

        ?多项式拟合:将多种输入格式 的数据拟合为多项式,拟合类型包括标准和边缘 Zernike 多项式、非球面多项式、XY多项式等九种格式

        ?表面变形插值:将光学测试 的试验数据或有限元仿真 的网格数据插值为一个数组或者另一种网格结果,以用于仿真预测结果与光学测试结果 的对比,或用于拟合 Zernike 多项式无法准确描述 的光学表面变形

        该模块解决了不同学科间数据传递难题,帮助用户实现从有限元分析到光学分析App 的无缝连接。

 

光机热耦合分析流程图

 

高级功能
    ♦ 主动控制
        分析光学面形 RMS 值随激励源数目 的变化关系,分析如何布置激励源使光学表面 RMS 值更小,为施加激励源 的位置和大小提供参考;根据一定约束自动优化、计算施加激励源 的位置。

        该模块用于主动控制 / 自适应光学系统 的设计过程,综合考虑多个促动器 的交叉影响,帮助用户优化整体促动器布局方案,节省设计时间。

 

 

    ♦ 动态响应
        基于有限元固有频率分析结果、通过用户在 SigFit 中指定 的激励载荷和阻尼等计算面形由于谐波振动 / 随机振动 / 瞬态载荷引起 的刚体位移、曲率变化、RMS 误差、传递函数变化、LOS 晃动以及各阶模态对 RMS 的影响等。

        该模块可帮助用户将机械振动与光学性能分析指标联系起来,预测不同工况下影响较大 的模态,为设计提供参考,提高仿真分析精度,有效提升光机系统环境适应性。

    ♦ 设计优化
        将光学表面 的 Zernike 系数、面型 RMS 值、PV 值等参数转变为 Nastran 格式 的方程,利用 Nastran 的优化求解器对光学表面 的面型、支撑结构、材料参数等进行优化,获得光学系统设计方案。

        该模块使得用户可以在考虑光学性能 的前提下调用 Nastran 求解器进行优化,实现光机系统 的多学科综合优化,有效提升光机产品综合性能。

    ♦ 光程差分析
        包括热光分析,应力光学分析及气动光学分析三大类。利用有限元分析 / 流体分析得到 的应力、温度分析结果 / 流体 的密度分析结果,根据温度、应力、密度与折射率之间 的关系,计算得到对应 的光程差及双折射等光学特性。

        该模块提供了热光分析、应力光学分析、气动光学分析 的实现途径,在设计阶段对热、应力、气体密度通过影响光学系统 的折射率对光学性能带来 的影响进行分析,实现高精度要求 的光机系统设计。

 

应用&案例
        Courtesy NASA Goddard Space Flight Center 空间望远镜主镜需要通过单点 的主动控制来保证其面型 RMS 值,主镜背面原始 的支撑结构设计能够达到 的 RMS 值修正效果为 225nm,不能满足 35nm 的初始设计要求。为此,在镜片设计过程中利用了 SigFit 的结构优化功能,在 SigFit 中将面型 RMS 值转换为 Nastran 语言方程,通过调用 Nastran 的优化求解器对镜面支撑形状进行了优化,最终将面型 RMS 的值降低至 33nm,满足实际设计要求。

 

基本设计方案及其主动控制 的 RMS 值(225nm)

 

优化后设计方案及其主动控制 的 RMS33nm)

 

        SigFit 涉及 的应用领域包括制图、能源研究、天文、医学 ( 隐形眼镜、人工晶体 )、通讯、娱乐 ( 影片放映 )、显微光刻等,目前已成功应用于 TMT(Thirty Meter Telescope)、NASA James Webb 空间望远镜、NASA Europa Clipper 等系统 的研发阶段。

        lol总决赛下注是 SigFit 中国优质代理商。目前,lol总决赛下注已为多家客户在内 的多家单位提供了光 - 机 - 热耦合分析App及完善 的光 - 机 - 热集成分析与优化设计解决方案。

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