簡介

 

此篇文章為本系列的第4部分，我們將介紹如何將 Ansys Mechanical 的 FEA 數據導入 STAR 模塊，并將這些數據用作 STOP（結構、熱、光學性能）分析。我們將分析FEA數據對光學性能的影響，并得出用于修改標稱立方體衛星設計的見解。（聯系我們獲取文章附件）

 

使用 STAR 模塊進行 STOP 分析

 

現已在光學器件工作范圍內的三個溫度（12℃、15℃ 、18℃）下生成了主鏡和次鏡的結構形變數據集。

 

該形變數據將直接與 OpticStudio 中原始模型的性能數據進行比較。在運行任何FEA（有限元分析）之前，Ansys Mechanical 假設光機械和光學器件浸泡在室溫環境中，且沒有對光學器件施加任何應力。因此，我們可以假設原始序列模型模擬了光學系統在環境溫度和壓力下的性能。

 

STAR 模塊可以將 FEA 數據直接讀取到序列模式下的光學模型中。讀取之后，整套分析工具可用于分析由于有限元分析期間應用的載荷和邊界條件而對系統性能的影響。由于在非序列模式中只是在主鏡的底部創建了一個切口，在序列模式下，這種切口在技術上并不存在，但由于順序光線追蹤的性質，穿過鏡子底部的光線不會與表面發生光學相互作用，所以我們可以使用序列模式來分析結果。

 

接下來需要采取幾個步驟才能將FEA數據正確加載到 STAR 中。首先，可以使用加載 FEA 數據工具導入文本文件。該工具將打開一個窗口，可以在其中加載結構和熱數據集并將其分配給相應的光學表面。在本例中，兩個透鏡在12℃時的結構數據已加載到 STAR 模塊中。

 

圖 1：將數據加載到 STAR 模塊中

 

準備好數據后，就可以擬合有限元分析數據。使用擬合評估工具，可以針對每個光學表面獨立調整數據的擬合參數，直到獲得準確的擬合。圖 2 顯示了結構變形數據如何適應主鏡的默認設置。使用此工具，可以查看 RMS 和 PV 擬合誤差，并可以調整擬合參數以最小化該誤差。

 

圖 2：STAR 擬合評估

 

通過增加網格 1 和網格 2 擬合參數，STAR 擬合算法將在擬合過程中參考更多相鄰點，從而使整體擬合更平滑。可以增加這些參數以進行更精細的采樣，直到達到所需的精度。對于此設計，在將網格 1 和網格 2 設置為 3 的情況下，達到了可接受的數據擬合。

 

圖 3：具有正確設置的主鏡擬合評估

 

圖 4：具有正確設置的次鏡擬合評估

 

現在，我們可以通過應用結構變形數據集來分析系統在所有工作溫度下的光學性能。所有結構有限元分析數據集都可以在 STAR 選項卡中的結構分析總結工具中查看。從這里，可以打開或關閉數據集，以檢查來自任何感興趣表面的結構變形效應。

 

圖 5：結構數據表

 

對于以下圖，使用了 12℃ FEA 數據集，因為它導致立方體衛星的性能與標稱值差異最大。以下點圖和 FFT MTF 圖顯示了應用結構變形數據時對性能的負面影響。

 

圖 6：21℃ 與 12℃ 下的系統性能

 

由于具有將 FEA 數據互換并應用于序列模式 OpticStudio 模型的能力，因此可以很容易的解釋 FEA 數據對系統性能的影響。通過將特定的FEA數據集應用于模型，可以獲得更進一步的見解。在圖 7 中，僅應用了次鏡的結構變形數據。應用這些數據并查看 FFT MTF 圖可以證實，系統性能下降主要是由本設計的主鏡引起的。

 

圖 7：導入次鏡數據的 MTF 性能

 

雖然此處重點介紹了 FFT MTF 和點列圖，但序列模式下提供的任何分析都可用于檢查潛在的性能影響。分析系統性能如何受到在軌條件的影響是理解在進行制造之前是否應該對設計進行任何迭代的關鍵。

 

基于 STAR 結果的光學設計迭代

 

從這些見解中，我們了解到系統在工作溫度范圍內無法達到性能規格。在12℃時，系統不再具有衍射極限點，并且在80線對時，MTF 降低到0.25以下。

 

為了推進設計，需要進行調整以恢復性能。可以考慮調整像平面的最佳焦點位置。對于標稱系統，探測器的位置是通過優化最佳焦距來確定的。這種優化將探測器放置在主鏡后面7.018mm處。然而，標稱模型是假定浸泡在室溫或21℃下。一旦立方體衛星進入軌道，光學設計將在15℃+ / – 3℃的稍低溫度下運行。根據 STAR 的結果，當設計置于工作溫度條件下時，系統的最佳焦點位置會發生變化。由于探測器目前在21℃條件下處于最佳焦點位置，因此探測器的位置不是軌道溫度條件下的最佳位置。

 

為了恢復性能，可以基于 STAR 結果改變探測器的最佳焦點位置。這包括在地球上的對準階段將探測器從21℃的最佳焦點位置離焦。如果離焦正確，當系統在工作溫度范圍內浸泡時，系統將在軌道上自動糾正焦距。在制造環境中，這種離焦可以通過調整探測器墊片的厚度來實現。另一種設計選擇是給對焦機制添加合適的機械結構。這種對焦機制可以使探測器沿著z軸移動以恢復軌道性能。但是，這種方法可能導致更密集的測試并增加制造成本。對于這種立方體衛星設計，我們假設調整相機墊片是恢復在軌系統性能的唯一途徑。

 

為了優化在軌條件下探測器的位置，首先必須通過 STAR 模塊把所有三種工作溫度的有限元數據集加載到 OpticStudio 中。加載有限元分析數據集后，可以使用快速聚焦優化工具來調整后焦距，使像面處于最佳焦點的位置。快速對焦工具僅調整像面之前的表面厚度，但對于本例，探測器位置將相對于主鏡的背面為參考。對于所有三種工作溫度，結果如下：

 

 

這表明探測器的最佳聚點位置與溫度呈線性關系。為了在軌道上獲得最佳性能，探測器可以放在主鏡后方6.845mm處。這相當于從21℃最佳對焦位置移動了-0.173mm。

 

為了實現這種設計變化，可以調整表面6的厚度。在此調整之后，請注意，在應用STAR數據之前，如何在21℃下不再實現最佳性能。

 

圖 8：21℃ 時的性能數據（離焦系統）

 

現在在序列模式21℃工作溫度下模擬離焦。表面6的厚度為-0.155mm，用于將探測器放置在正確的位置進行在軌聚焦校正。如果我們在所有三個工作溫度下重新應用FEA數據，則可以通過實施的設計更改來分析系統性能。

 

圖 9：更新設計的 FFT MTF 性能

 

重新應用所有三種工作溫度的 FEA 數據表明，現在可以在軌道上滿足80線對時0.25的 MTF 要求。從光斑尺寸數據來看，這種設計變化還允許在每個溫度條件下的衍射極限光斑。

 

這是一個示例，表示了如何使用 OpticStudio 的序列模式分析工具，分析 STAR 數據如何在迭代設計時幫助做出工程決策。為了在工作條件下獲得最佳性能，另一個示例工作流可能是定義一個評價函數，該函數在應用 STAR 數據時優化特定系統參數。雖然此示例專門使用結構變形數據集，但請注意，熱數據集也可以同時應用。

 

基于 STAR 結果迭代機械設計

 

使用 STAR 數據，還可以深入了解光機設計在工作條件下的狀態。

 

如圖3和圖4所示，主鏡和次鏡的變形幅度分布方向相反（主鏡的左下角和次鏡的右下角）。為了保持兩反射鏡的相對變形并保持形變載荷的平衡，實施機械設計改進，將機械止動面（放置在固定器上的反射鏡表面）調整到反射鏡的另一個底角上。通過實施此更改，兩個鏡像現在可以有一個相對于彼此相同方向的載荷分布。下圖（圖 10）用紅色標記的坐標系表示了這一點。

 

圖 10：主鏡固定系統

 

實施這個機械設計變更后，我們可以在 Ansys Mechanical 中重新運行 FEA 分析，并將新的 FEA 數據集導入 OpticStudio。導入新數據集后，我們可以在擬合評估工具中觀察到次鏡上荷載分布的變化。在圖 11 中，次鏡上的負載分布現在相對于主鏡的方向相同。

 

圖 11：FEA 數據擬合到次鏡（機械設計更新后）

 

另一種集思廣益改進光機設計的方法是研究 Ansys Mechanical 創建的網格。此網格網格是在運行 FEA 分析之前創建的。在下圖（圖12）的底部圖像中，其中一個計量桿在主鏡固定器的整個長度上完全封閉。這可能會導致兩個組件的連接過度受限。

 

圖12：Ansys Mechanical 中主鏡固定器上的力學形變網格視圖

 

為了解決這個問題，對設計進行了更新，使得該計量桿僅由反射鏡固定器完全封閉較短的距離。通過在主鏡固定器上雕刻出一些材料，將計量桿周圍的孔調整為與其他三個計量桿的孔相同的厚度。在圖 10 中可以觀察到此更新，其中用紅色箭頭表示。

 

結論

 

通過利用 Ansys Zemax 軟件套件，我們演示了如何采用 3U 立方體衛星光學系統，并將其帶入設計過程的幾個階段。使用此集成工具集，可以使用 OpticStudio 創建光學設計，并輕松導出到 OpticsBuilder，以創建光機結構。然后，可以將完整的光機設計從 OpticsBuilder 導出到 FEA 軟件中進行有限元分析。借助 OpticStudio 的 STAR 模塊，現在可以毫不費力地將結構和熱數據從 FEA 軟件導入 OpticStudio，以分析系統性能。本系列文章重點介紹了 CubeSat 系統的開發如何從 Ansys Zemax 工作流程中獲益，而該軟件鏈可為工程師提供完整的工作流程，用于設計需要 STOP 分析的其他類型的航天產品。這種類型的工作流程使工程師能夠在設計過程中更有效地利用他們的時間。

 

參考文獻

 

1.Jin H, Lim J, Kim Y, Kim S. Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat. J Opt Soc Korea. 2013;17(6):533-537. doi:10.3807/josk.2013.17.6.533