光機械模型的案例
用人眼的光機械模型研究老花眼
而現在科學家們為了解決測量鏡片折射率的問題，開發了一種逆向工程技術，創建一種新的人體老化光學機械模型，用于基本的光學和機械模擬。
專注于老花眼矯正與模擬仿真
在世界衛生組織（WHO）表示“裸老花眼是視力障礙的最常見的原因”。隨著年齡增長，眼球晶狀體逐漸硬化、增厚，而且眼部肌肉的調節能力也隨之減退，導致變焦能力降低。
眼睛的晶狀體能夠通過復雜的生物力學過程改變其形狀，該過程導致遠視覺被動并且近視力活躍。然而，隨著年齡的增長，晶狀體會發生幾何變化。鏡片的生長和鏡片的機械性能變化（鏡片變得更硬）導致睫狀環向前推動。在遠視和近視之間幾乎不存在變形幅度之前，鏡片順應性受到越來越多的影響。鏡片的形狀增加，其等效屈光力和總體直徑減小到這樣的程度，即在老花眼的情況下，最容納的形狀最終是遠視力。
雖然眼鏡是解決與老花眼有關的視力問題的最安全和最可靠的方法，但并非所有人都喜歡戴眼鏡。
有些人通過手術來矯正視力。但是這種手術是有風險的，并很可能帶來其他的并發癥，比如說患者可能會出現視弱、看東西會產生眩光、光暈，或在昏暗的光線下無法看清事物等。此外，許多可用于這些手術的體內成像技術不能精確地解釋視覺調節過程中的每個因素或實際的臨床測量。
為了解決這些問題，研究人員利用仿真軟件的光學評估技術開發了人眼的3D參數化機械模型。通過他們的模型，團隊可以使用逆向工程技術從體內成像中推斷出不可測量部分的屬性。
建模
由于視覺調節過程非常復雜，因此在對眼睛及其組件進行建模時通常會進行簡化。例如許多模型是軸對稱的，并且不考慮眼睛器官的自然變化。模型側重于調節的機械或光學方面，意味著只有少數眼睛組件被建模，材料屬性被近似，而不是考慮實際中的使用。
展開 光學系統 | 借助Ansys Zemax從概念到立方體衛星光機械設計（2）
然后，構建光機械結構以裝配光學元件，并將其與外部框架相匹配。
圖4：為3-U 立方體衛星完成光學機械設計
在光機械設計完成后，可以使用仿真工具，在Creo Parametric中對這些組件對光學性能的影響進行仿真。在最后的仿真中，完整光機械模型被太陽能電池板包裹裝配。
光線追跡仿真驗證了光機械對光學性能沒有重大影響。現在可以將構建的整個系統導出到有限元分析（FEA）軟件，開始STOP分析。
圖 5.最終光學機械設計的光線追跡仿真
借助OpticsBuilder，可以縮小光學工程與機械工程之間的文件形式差異。通過簡化、直觀的工作流程，工程團隊可以更高效地應對光機械設計的挑戰。
展開 Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：光機械封裝
圖 3.機械槍管改裝
將其余的機械部件（例如擋板）添加到設計中，并添加合適的顏色以區分最終設計中的組件。
圖 4.修改后的設計
然后將 CAD 模型保存為裝配文件，復雜的鏡頭設計和進一步分析可以在 Speos 中完成。
使用 Speos 進行復雜的鏡片邊緣建模
首先，使用 .ODX 導入工具位于 Speos 界面的 Light Simulation 選項卡中。
圖 5.將修改后的設計導入 Speos
相機鏡頭組件包含多個鏡頭，編號如下。一些鏡頭邊緣需要使用 Speos 重新設計成復雜的形狀。
零件清單：
紅外濾光片 （A）
鏡頭 （B）
鏡頭 （C）
鏡頭 （D）
鏡頭 （E）
鏡頭 （F）
蓋玻片 （G）
圖 6.相機鏡頭組件
加長鏡片邊緣的幾何要求是將鏡片保持在機械擋板環和主鏡筒之間。
免責聲明：出于顯示目的，紅外濾光片 （A） 和蓋玻片 （G） 保留在鏡筒組件內。在實際應用中，這兩個組件很可能與鏡頭不在同一光學機械子組件中。
添加復雜的鏡頭邊緣
通過在父鏡頭上繪制新設計并圍繞鏡頭的光軸旋轉草圖，可以創建復雜的鏡頭邊緣。在 Speos 界面的草圖模式下，'線' 工具可用于創建復雜的設計。在繪制設計草圖時，需要考慮擋板環的空間。
圖 7.繪制復雜的鏡頭邊緣
當所有新透鏡邊緣的草圖完成后，設計將圍繞光軸旋轉以創建新的實體表面。如圖 8 所示，所有透鏡邊緣都形成一個單獨的固體表面。
圖 8.重新設計的鏡頭組件
下一步將父鏡頭邊緣和添加的鏡頭邊緣合并到一個鏡頭單元中。建議執行以下過程：
要更新 .ODX 文件中，您可以使用剪切、復制和粘貼命令將新的實體表面（在圖 9 中突出顯示）移動到組件中。
展開 Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 ：使用 OpticsBuilder 實現光機械封裝
添加和調整機械部件
由于四個隔圈是現成的組件，因此可以使用 Creo 參數化原生插入工具（Model Tab -> Assemble -> Assemble A）將其直接插入到光機械裝配體中。之后，可以使用 Object Placement 工具將其直接定位。
鏡筒和前擋圈需要稍作修改，以便機械組件可以模擬 OpticStudio 中定義的光學孔徑，并且光束遮擋可以保持在最低限度。在下圖（A部分）中看到紫色的遮擋光束和右側（B部分），由于鏡筒上的機械孔徑直徑略有增加，新模擬的光機械系統沒有任何可見的遮擋光束。
經過初次目視檢查后，可以使用 OpticsBuilder 分析工具深入分析光學性能。
用 OpticsBuilder 進行光學性能分析
為了使用 OpticsBuilder 分析工具驗證光機械系統，可以研究三個改變量并與基線值相比較（如下所述）。
光斑尺寸
光斑尺寸改變量是根據 OpticsBuilder 基線構型和 OpticsBuilder 修改后構型之間的差異絕對值計算得出的。而 OB 基線構型僅包含光學和光闌表面，修改后構型還包含機械幾何體。由于光斑尺寸具有綠色復選標記，因此修改后構型與基線構型具有相同（或者差異可忽略）的光斑尺寸值。
光束遮擋 1.04%
在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器，而在 OpticsBuilder 修改構型中未擊中任何探測器的光線，被視為遮擋光線。因此，遮擋光線百分比的定義方法是將 OpticsBuilder 修改構型中未擊中探測器的光通量除以在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器的光通量乘以100。
展開 
Ansys Zemax | 大功率激光系統的STOP分析2：如何進行光機械設計準備
在本系列的 5 篇文章中，我們將對激光加熱效應進行仿真，包括由于鏡頭材料溫度升高而引起的折射率變化，以及由機械應力和熱彈性效應造成的結構變形。
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光機械設計準備
光學設計完成后，下一階段就是為光學元件創建機械封裝。除了提供光學系統的保護和布局安裝外，透鏡和反射面的安裝設計還將引入機械導入光源。此外，這些機械元件還可以作為散熱器，為光學元件散熱。我們將在稍后的過程中探討這兩個問題，但現在我們將專注于光機械設計。OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間的交互可大幅簡化這一過程。Prepare for OpticsBuilder 工具能導出光學系統，且導出格式方便光機工程師直接在他們的 CAD 工具中打開系統，其中包含創建光機系統所需的所有信息。
光機械系統整體創建完成后，整個設計便可以輕松導出到 OpticStudio 非序列模式。OpticStudio 非序列模式能夠將每個物體視為探測器，以計算系統中每個光學器件和機械表面上的吸收通量。額外的探測器可以記錄鏡頭體內的吸收通量。當激光以光束的形式在系統中傳播，我們可以記錄它們與元件的每一次相互作用。
通過利用 ZOS-API 的強大功能，此階段可以使用腳本自動檢索存儲在探測器上的通量數據，并為滿足FEA軟件包的輸入要求而配置輸出。此外，系統幾何結構也將作為 CAD 元件導出到 FEA 工具中。
這個過程包括 4 個階段：
將序列模式系統轉換為非序列模式，同時為光機設計做準備。
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機械設計根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。
機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的第一步，是決定機械性能的最主要的因素。
Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：使用 OpticsBuilde
Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：使用 OpticsBuilder 實現光機械封裝
添加和調整機械部件
由于四個隔圈是現成的組件，因此可以使用 Creo 參數化原生插入工具（Model Tab -> Assemble -> Assemble A）將其直接插入到光機械裝配體中。之后，可以使用 Object Placement 工具將其直接定位。
鏡筒和前擋圈需要稍作修改，以便機械組件可以模擬 OpticStudio 中定義的光學孔徑，并且光束遮擋可以保持在最低限度。在下圖（A部分）中看到紫色的遮擋光束和右側（B部分），由于鏡筒上的機械孔徑直徑略有增加，新模擬的光機械系統沒有任何可見的遮擋光束。
經過初次目視檢查后，可以使用 OpticsBuilder 分析工具深入分析光學性能。
用 OpticsBuilder 進行光學性能分析
為了使用 OpticsBuilder 分析工具驗證光機械系統，可以研究三個改變量并與基線值相比較（如下所述）。
光斑尺寸
光斑尺寸改變量是根據 OpticsBuilder 基線構型和 OpticsBuilder 修改后構型之間的差異絕對值計算得出的。而 OB 基線構型僅包含光學和光闌表面，修改后構型還包含機械幾何體。由于光斑尺寸具有綠色復選標記，因此修改后構型與基線構型具有相同（或者差異可忽略）的光斑尺寸值。
光束遮擋 1.04%
在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器，而在 OpticsBuilder 修改構型中未擊中任何探測器的光線，被視為遮擋光線。因此，遮擋光線百分比的定義方法是將 OpticsBuilder 修改構型中未擊中探測器的光通量除以在 OpticsBuilder 基線構型中擊中探測器的光通量乘以100。
展開 28套無人機模型圖紙-Solidworks模型非標機械
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南方科技大學葛锜《AM》強機械，UV固化的形狀記憶高分子聚合物，用于4D打印數字光處理
其中，紫外線（UV）固化SMP與基于數字光處理（DLP）的3D打印兼容，以制造具有復雜幾何形狀和高分辨率的基于SMP的結構。但是，可紫外線固化的SMP在機械性能方面有局限性，這極大地限制了它們的應用范圍。
最近,
南方科技大學
葛锜副教授
團隊
報道了
一種機械堅固且可紫外線固化的SMP系統，該系統高度變形，耐疲勞并與基于DLP的3D打印兼容，以制造高分辨率（
最大
2 μm），高度復雜的3D結構，該結構顯示加熱時的
形狀變化（高達1240％）
。更重要的是，已開發的SMP系統具有出色的抗疲勞性，并且可以重復
加載超過10000次。
機械強度高且可紫外線固化的SMP的開發顯著改善了基于SMP的4D打印結構的機械性能，從而使其可用于航空航天，智能家具和軟機器人等工程應用。
相關論文以題為發表在《Advanced
Materials》上
。
【主圖導讀】
圖1
強機械的
tBA-AUD SMP，用于基于DLP的4D打印。
a）高度可拉伸的tBA-AUD SMP狗骨樣品的形狀記憶周期快照。b）基于DLP的3D打印設備的示意圖。c）用tBA–AUD SMP印刷的寬度為2 μm的網格圖案的顯微圖像。d）用tBA–AUD SMP印刷的開爾文泡沫。e）通過拉伸開爾文泡沫來證明形狀記憶效果。f）通過壓縮和折疊開爾文泡沫來證明形狀記憶效果。
圖2
tBA-AUD SMP前體溶液的詳細信息和特性。
a）用于制備tBA-AUD SMP前體溶液的AUD，tBA，IBOA和TPO的詳細化學結構。b–d）基于DLP的3D打印過程中的光聚合過程插圖。b）3D打印之前的tBA–AUD SMP前體解決方案。c）3D打印后的tBA–AUD SMP網絡結構。
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其中，紫外線（UV）固化SMP與基于數字光處理（DLP）的3D打印兼容，以制造具有復雜幾何形狀和高分辨率的基于SMP的結構。但是，可紫外線固化的SMP在機械性能方面有局限性，這極大地限制了它們的應用范圍。
最近,
南方科技大學
葛锜副教授
團隊
報道了
一種機械堅固且可紫外線固化的SMP系統，該系統高度變形，耐疲勞并與基于DLP的3D打印兼容，以制造高分辨率（
最大
2 μm），高度復雜的3D結構，該結構顯示加熱時的
形狀變化（高達1240％）
。更重要的是，已開發的SMP系統具有出色的抗疲勞性，并且可以重復
加載超過10000次。
機械強度高且可紫外線固化的SMP的開發顯著改善了基于SMP的4D打印結構的機械性能，從而使其可用于航空航天，智能家具和軟機器人等工程應用。
相關論文以題為發表在《Advanced
Materials》上
。
【主圖導讀】
圖1
強機械的
tBA-AUD SMP，用于基于DLP的4D打印。
a）高度可拉伸的tBA-AUD SMP狗骨樣品的形狀記憶周期快照。b）基于DLP的3D打印設備的示意圖。c）用tBA–AUD SMP印刷的寬度為2 μm的網格圖案的顯微圖像。d）用tBA–AUD SMP印刷的開爾文泡沫。e）通過拉伸開爾文泡沫來證明形狀記憶效果。f）通過壓縮和折疊開爾文泡沫來證明形狀記憶效果。
圖2
tBA-AUD SMP前體溶液的詳細信息和特性。
a）用于制備tBA-AUD SMP前體溶液的AUD，tBA，IBOA和TPO的詳細化學結構。b–d）基于DLP的3D打印過程中的光聚合過程插圖。b）3D打印之前的tBA–AUD SMP前體解決方案。c）3D打印后的tBA–AUD SMP網絡結構。
展開 010 - COMSOL超表面產生渦旋光（僅模型文件） ￥53
010 - COMSOL超表面產生渦旋光（僅包含模型文件，53元）
基本介紹：
主要內容：基于文獻《利用超表面天線陣列產生太赫茲渦旋光束 作者：李瑤等》，用COMSOL重復了所有內容；
計算所需的內存：32 GB；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.4 (5.4.0.225)；
涉及的內容：幾何-程序設計、在App開發器用模型方法構建幾何、端口、周期性條件、參數化掃描 等；
繪制了：透射光的振幅和相位變化圖、透射光的電場分布、透射渦旋光的電場模和相位分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，該器件是由 L 形金天線構成的超表面，超表面上分成 8 個區域，對應不同的 h 和 r 尺寸，從而實現對相位的調制。超表面的排列周期 P = 1.5 mm，t1 = 300 nm，工作頻率是 0.1 THz。
x方向偏振的高斯光束從下往上入射到超表面，能夠輸出一個渦旋光。
計算的內容和結果：
1、對幾何結構參數r和h進行掃描，得到透射光電場和相位變化情況。左：文獻中的結果；右：本案例的結果??
2、對于文中編號為A1~A8的八個尺寸不同的單元構成的超表面，利用平面線偏振入射，正交方向透射光的振幅和相位改變。左：文獻中的結果；右：本案例的結果??
3、對于文中的陣列A，透射光電場x分量和y分量的分布情況。左：文獻中的結果；右：本案例的結果??
4、對于文中的陣列B，透射光電場x分量和y分量的分布情況。左：文獻中的結果；右：本案例的結果??
5、撲荷l = 1的透射光情況，受制于計算機性能，本案例中只截取了6×6的陣列來模擬，且網格剖分得很粗。
展開 
036 – FDTD納米線的光散射（僅模型文件，免費）
036 – FDTD納米線的光散射（僅模型文件，免費）
基本介紹：
主要內容：本案例通過matlab解析和FDTD模擬分別計算了半徑100 nm的納米線對TM光的散射截面，兩者完全吻合；
基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2020 R2；
計算所需的內存：1 GB；
涉及的內容：2D-FDTD、場監視器、cross-section分析組、matlab編程 等；
繪制了：散射截面隨波長的關系、電場分布；
本案例僅包含模型文件，但有一個文字版的建模過程詳解。此案例不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，用TM偏振的平面光照射一根無限長的介質納米線，納米線的半徑為100 nm，折射率為2。本案例用FDTD模擬了400 ~ 800 nm波長范圍內的光散射截面以及電場分布，并將結果與matlab解析計算的散射截面相比較。
計算的內容和結果：
1、散射截面。
展開 037 – COMSOL納米線的光散射（僅模型文件，免費）
037 – COMSOL納米線的光散射（僅模型文件，免費）
基本介紹：
主要內容：本案例通過matlab解析和COMSOL模擬分別計算了半徑100 nm的納米線對TM光的散射截面，兩者完全吻合；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.4 (5.4.0.225)；
計算所需的內存：4 GB；
涉及的內容：自定義方程、組件耦合-積分 等；
繪制了：散射截面隨波長的關系、電場分布；
本案例僅包含模型文件，但有一個文字版的建模過程詳解。本案例不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，用TM偏振的平面光照射一根無限長的介質納米線，納米線的半徑為100 nm，折射率為2。本案例用COMSOL模擬了400 ~ 800 nm波長范圍內的光散射截面以及電場分布，并將結果與matlab解析計算的散射截面相比較。
計算的內容和結果：
1、散射截面。左：COMSOL模擬的結果，右：用matlab解析計算出來的結果 ??
2、COMSOL模擬的400nm處的電場分布 ??
免費案例，模型文件請從附件中下載：
037-COMSOL納米線的散射（僅模型文件）.zip
文字版建模過程詳解：
1. 雙擊圖標打開COMSOL軟件，然后按照模型向導新建一個工程文件，即：模型向導→二維→電磁波，頻域→波長域→完成，如下圖
2. 在“幾何1”的設置中將長度單位改為nm，方便待會兒修改數值
3. 右擊“幾何1”，增加一個圓，將其半徑改為100nm
4.
展開 基于老化動力學模型計算輻照強度對聚碳酸酯PC光老化加速倍率的研究
2.2 基于輻照度強度指數加速因子計算
在老化過程中，不改變溫度、相對濕度的前提下，根據簡化加速因子模型公式：AF=k2/k1=(I2/I1)m，可以分別計算不同輻照度下的加速因子，以0.9W/m2為基準老化輻照度為例，可推算出聚碳酸酯純化單體以及添加不同耐候劑體系材料在其他老化輻照度下的老化加速因子，詳見表6所示。對于聚碳酸酯材料而言，在光老化過程中保持溫度、相對濕度不變，通過改變輻照強度可以提高老化速率，輻照度提升40%，可以實現1.38～1.54倍的加速，輻照度提升80%，可以實現1.76～2.13倍的加速。
表 6 PC 各配方樣品不同輻照度下的加速因子
3
結論
本文基于老化動力學模型重點研究了光照過程中輻照強度對聚碳酸酯材料光老化進程的影響，基于老化動力學模型，通過計算獲得不同耐候體系聚碳酸酯材料的輻照度響應指數區間為0.96～1.29。抗氧劑、紫外吸收劑及光穩定劑的添加會提升材料的輻照度響應指數，但添加比例對輻照度響應指數的影響較小。在光老化過程中，在保持溫度、相對濕度不變的前提下，通過提升輻照強度可以提高老化速率：輻照度提升40%，可以實現1.38～1.54倍的加速;輻照度提升80%，可以實現1.76～2.13倍的加速。
* 本文為國高材分析測試中心原創，轉載請注明出處。
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這次的主題是小索和大家一起制作車輪轉動動畫，所使用的車輛模型是SOLIDWORKS Visualize自帶的一個項目文件：1969Camaro，相當經典的車型。
在SOLIDWORKS Visualize里僅需進行簡單的操作，我們就能把Camaro啟動起來！
歡迎大家發揮自己的創意，制作出更加精彩的動畫，小V和動感先在這里拋磚引玉啦。
關于SOLIDWORKS Visualize制作車輪轉動動畫的詳細操作，歡迎大家觀看視頻。
SOLIDWORKS Visualize制作車輪轉動動畫
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