航空相機(jī)金屬反射鏡光機(jī)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)研究【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1引言

航空相機(jī)主要用于航空偵查、遙感和地形測(cè)繪,金屬反射鏡是航空相機(jī)的關(guān)鍵部件,其光學(xué)面型對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像性能起至關(guān)重要作用。航空相機(jī)工作在大溫差和高振動(dòng)載荷環(huán)境,在嚴(yán)酷工作環(huán)境下保證其機(jī)械性能和光學(xué)性能成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。金屬反射鏡設(shè)計(jì)除滿足強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)外,還要滿足光學(xué)面型指標(biāo),使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法滿足現(xiàn)有系統(tǒng)指標(biāo)較為困難,利用光機(jī)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行反射鏡設(shè)計(jì)成為航空相機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)。

2光機(jī)仿真分析方法研究

結(jié)構(gòu)有限元分析方法能夠精確的計(jì)算溫度和振動(dòng)等載荷作用下反射鏡的強(qiáng)度和變形,光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件CodeV能夠評(píng)價(jià)鏡面位移和面型變化的光學(xué)性能改變,但結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的變形結(jié)果是離散的單元節(jié)點(diǎn)位移,無法被光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件所接受,國(guó)內(nèi)外研究者就該問題進(jìn)行了廣泛的研究,目的是將結(jié)構(gòu)仿真和光學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成,并將該分析方法稱為光機(jī)仿真分析(Integrated Optomechanical analysis)。

光機(jī)仿真分析的基本流程是:

a)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算鏡面變形;

b)在預(yù)先定義的光學(xué)面頂點(diǎn)坐標(biāo)系下計(jì)算剛體位移,原始變形數(shù)據(jù)去除剛體位移;

c)用去除剛體位移的變形數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)光學(xué)面面型Rms和Pv;

d)面型數(shù)據(jù)計(jì)算zernike多項(xiàng)式系數(shù)和殘差;

e)將剛體位移和zernike系數(shù)寫出光學(xué).seq文件和面型后處理圖形文件;

f)Patran后處理圖形顯示面型;

g)將.seq文件帶入光學(xué)CodeV軟件評(píng)價(jià)光學(xué)性能。

a)步驟在結(jié)構(gòu)有限元軟件中計(jì)算完成,b)至e)步驟需要利用光機(jī)分析軟件來實(shí)現(xiàn),美國(guó)Sigma-dyne公司開發(fā)的商業(yè)軟件sigfit能夠很好的實(shí)現(xiàn)該分析過程。為了滿足產(chǎn)品開發(fā)需要和光機(jī)分析過程定制工作,作者根據(jù)光機(jī)分析理論,自主開發(fā)了OpticMech光機(jī)分析軟件,也很好的完成光機(jī)分析過程。同時(shí)利用兩軟件做分析計(jì)算對(duì)比,計(jì)算對(duì)象是航空相機(jī)窗口受到0.08MPa充壓載荷的光窗剛體位移和面型。表1為兩軟件剛體位移數(shù)據(jù)對(duì)比,表2是面型數(shù)據(jù)對(duì)比,二者計(jì)算結(jié)果一致。圖1是在CodeV軟件中計(jì)算的光窗變形后點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(SPOT)和光學(xué)傳函(MTF)。

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3金屬反射鏡設(shè)計(jì)和光機(jī)仿真

金屬反射鏡的面型直接影響航空相機(jī)性能指標(biāo),為使工作載荷條件面型指標(biāo)達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,反射鏡設(shè)計(jì)需要滿足以下要求:

1)反射鏡進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后要保證鏡體有足夠剛性,以減小振動(dòng)和過載面型下降;

2)反射鏡安裝接口宜采用柔性連接結(jié)構(gòu),減小安裝應(yīng)力造成的面型下降;

3)反射鏡材料與鏡支撐架結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)基本一致,避免熱膨脹不一致產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使面型下降;

圖2是經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)的金屬反射鏡,其鏡面厚度、筋厚和筋分布按傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,反射鏡做以下分析計(jì)算:

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圖2 金屬反射鏡模型

1)計(jì)算反射鏡模態(tài)頻率評(píng)價(jià)其動(dòng)剛度;

2)計(jì)算安裝面不平度的面型改變?cè)u(píng)價(jià)安裝應(yīng)力影響;

3)計(jì)算鏡面法向lg過載面型改變?cè)u(píng)價(jià)其靜剛度。

表3是計(jì)算的前二階模態(tài)頻率,表4是利用OpticMech分析軟件計(jì)算的鏡面面型。圖3顯示了計(jì)算的模態(tài)頻率和面型云圖。

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4金屬反射鏡拓?fù)鋬?yōu)化

為了進(jìn)一步提高金屬反射鏡的光機(jī)性能,用HyperWorks對(duì)反射鏡的背筋分布做拓?fù)鋬?yōu)化以獲得更好的性能,以表5所示優(yōu)化條件進(jìn)行鏡體背筋的拓?fù)鋬?yōu)化,得到圖4所示背筋最佳傳力路線,按此設(shè)計(jì)圖5所示反射鏡,再對(duì)該反射鏡進(jìn)行性能評(píng)估,優(yōu)化后的反射鏡一階頻率由原設(shè)計(jì)方案1083Hz增加到了1230Hz(提高了13.5%),lg過載面型Rms由0?030um下降到0.025um(改善16.6%),面型Pv由0.17Pm下降到0.13um(改善23.5%),反射鏡優(yōu)化后性能得到有效提高。

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圖5 反射鏡拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型

5結(jié)論

金屬反射鏡是航空相機(jī)中關(guān)鍵部件,對(duì)系統(tǒng)性能起關(guān)鍵作用,光機(jī)仿真技術(shù)把結(jié)構(gòu)有限元仿真和光學(xué)仿真做了系統(tǒng)集成,作者根據(jù)光機(jī)仿真理論開發(fā)了OpticMech光機(jī)分析軟件,在設(shè)計(jì)階段用光機(jī)仿真技術(shù)有效評(píng)估了金屬反射鏡性能,用拓?fù)鋬?yōu)化提高反射鏡光機(jī)性能,為航空相機(jī)精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了有力技術(shù)保障。