光學(xué)系統(tǒng)中常見的機械故障是支撐結(jié)構(gòu)的剛度不足。剛度對于保持光學(xué)元件的對中和實現(xiàn)足夠的光學(xué)性能至關(guān)重要。機械工程師有責(zé)任在機械設(shè)計中提供足夠的剛度。

光學(xué)工程師喜歡將機械工程師的結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)入到他們的光學(xué)設(shè)計程序中來對其進行評估。這個過程包括將機械工程師的CAD模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析有限元程序中，然后再將有限元分析結(jié)果導(dǎo)入到光學(xué)設(shè)計程序中。為了方便這個操作，光學(xué)工程師開發(fā)了解析器和插值器，這使得光學(xué)工程師可以觀察到機械設(shè)計對光學(xué)圖像的影響。光學(xué)程序通常是針對光學(xué)幾何的大位移非線性求解器。

對于機械工程師來說，這個過程有兩個缺點。首先，它需要一個比較完整的系統(tǒng)CAD模型，而這個模型只有在機械設(shè)計的后期才能給出。因此，機械設(shè)計的缺陷只能在機械設(shè)計過程的后期才被發(fā)現(xiàn)。其次，通過解析器和插值器從光學(xué)效應(yīng)追蹤到可能導(dǎo)致光學(xué)問題的機械設(shè)計特征是有問題的。因此，難以對機械設(shè)計制定合理、有效的變更。

光學(xué)工程師認為需要使用他們的大位移非線性程序來分析機械變形引起的擾動。然而，對于1米尺寸大小的結(jié)構(gòu)，光學(xué)元件允許的變形通常很小，在微米量級。對于這種大小的擾動，可以表明工程精度不需要非線性求解器。事實上，可以認為光學(xué)函數(shù)比固體力學(xué)函數(shù)更具線性，而有限元方法本身也是固體力學(xué)函數(shù)的線性簡化。

機械工程師在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中的工作是檢查機械設(shè)計空間，尋找潛在的光學(xué)問題。為此，機械工程師需要工具將設(shè)計的力學(xué)行為與系統(tǒng)的光學(xué)行為聯(lián)系起來。這些工具需要適用于早期簡化的設(shè)計概念模型以及最終確定的詳細CAD模型，需要與光學(xué)工程師和機械工程師在項目后期可能進行的任何分析保持一致。

提供軟件工具，讓機械工程師直接分析機械設(shè)計如何影響光學(xué)性能，而不必依賴光學(xué)工程師或他們專業(yè)的光學(xué)軟件。Alson E.Hatheway Inc. (AEH)公司的Ivory光機建模工具（AEH/Ivory）能夠讓機械工程師完全在?？怂箍礛SC Nastran有限元分析軟件中對光機系統(tǒng)設(shè)計的光學(xué)性能進行早期、快速、有效的評估。這也消除了在力學(xué)程序和光學(xué)程序之間交換數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)的不確定性和誤差。

AEH/Ivory還支持經(jīng)常與MSC Nastran結(jié)果結(jié)合使用的手工計算和Excel電子表格分析。

在一個設(shè)計高光譜成像儀的項目中，AEH/Ivory被用于將系統(tǒng)的光學(xué)方案作為輸入數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到MSC Nastran中，通過系統(tǒng)跟蹤所有光學(xué)圖像，并報告MSC Nastran計算的探測器上最終圖像的靜態(tài)和動態(tài)運動。這種方法在早期給出了關(guān)于剛度是否足夠的有意義的數(shù)值，并且在整個開發(fā)過程中可以跟蹤這些值。

使用軟件工具，成像儀由九個光學(xué)元件和一個探測器組成。光學(xué)方案是描述光學(xué)元件表面的一組屬性參數(shù)：曲率半徑、光學(xué)介質(zhì)的折射率、元件的厚度或元件之間的空氣空間、元件類型和特定數(shù)據(jù)，如折疊幾何的光柵常數(shù)和入射角等。AEH/Ivory將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MSC Nastran的輸入數(shù)據(jù)文件，以確定探測器上的圖像運動。

在AEH/Ivory的輸入數(shù)據(jù)文件中，多點約束方程包含了圖像的影響方程。這些方程將圖像的運動與系統(tǒng)中所有光學(xué)元件的運動聯(lián)系起來。然后可以在MSC Nastran中確定基于影響方程的探測器處的圖像運動。

然后，將初始AEH/Ivory輸入數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Patran，以顯示光學(xué)元件和圖像之間的關(guān)系，以及如果任何元件移動，它將如何導(dǎo)致圖像移動。Patran中的這個初始MSC Nastran模型，添加了集中質(zhì)量單元和梁單元以模擬支撐光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)件，用作測試模型的簡化結(jié)構(gòu)。

到第四天，這一細化分析流程給出光學(xué)系統(tǒng)將具有+/-13.6微弧度的靜態(tài)視線旋轉(zhuǎn)和18.3微弧度（均方根）的隨機視線旋轉(zhuǎn)。這些結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計有足夠的裕度，如果沒有，分析將提供足夠的信息來建議在材料、厚度、直徑或其他方面進行改進的地方。

接下來，將簡化的梁單元替換為實體結(jié)構(gòu)模型，以完善剛度估計。分析從復(fù)合彎管鑄件開始，其中實體結(jié)構(gòu)的替代，計算的視線誤差增加到21.5微弧度（均方根）；添加探測器外殼的實體模型，視線誤差增大到22.0微弧度（均方根），仍在可接受的限度內(nèi)。

使用MSC Nastran的優(yōu)勢：

圖4：隨著模型從集中質(zhì)量和梁單元發(fā)展到

網(wǎng)格化和連接的3D模型，結(jié)果不斷得到細化

AEH公司的Ivory光機建模工具能夠讓機械工程師完全在MSC Nastran有限元分析軟件中對光機系統(tǒng)設(shè)計的光學(xué)性能進行早期、快速、有效的評估。正如AEH 公司的總裁Alson Hatheway所說：“AEH/Ivory和MSC Nastran可以確保光學(xué)結(jié)構(gòu)從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計一開始就有足夠的剛度，為項目節(jié)省了數(shù)月的計劃時間和數(shù)十萬美元的成本。”