ansys曲面制作的案例
Ansys Zemax | 確保自由曲面設(shè)計(jì)的可制造性
本文專門介紹使用單點(diǎn)金剛石車床加工自由曲面的主要可制造性參數(shù)，解釋了可制造性參數(shù)如何與儀器參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并展示了如何在 OpticStudio 中檢查和控制這些可制造性參數(shù)。此外，還解釋了如何處理其考察區(qū)域外的自由曲面的行為。例如，使用塑料自由曲面透鏡（Alvarez透鏡元件）等。
表面參數(shù)控制
鏡頭加工中需要進(jìn)行控制的表面參數(shù)將取決于加工方法和設(shè)備。加工塑料光學(xué)元件最流行和最廣泛使用的方法之一是使用 三軸金剛石車床（圖 1）進(jìn)行直接切割，或者更常見的是利用切割模具來加工透鏡。
圖1. 三軸金剛石切割機(jī)（左） 金剛石切割刀具（右）
傾斜角度
讓我們看一下儀器的局限性（圖 2）。刀具的側(cè)面傾角限制了沿任何徑向橫截面的最大可能斜切角。由于這樣的徑向橫截面與子午面重合，因此相應(yīng)的斜率在 OpticStudio 中稱為“子午斜率”。相對而言，旋轉(zhuǎn)對稱表面子午斜率對于自由曲面而言，沿不同的徑向截面具有不同的分布。
另一個(gè)參數(shù)是 “弧矢斜率” 角度。當(dāng)我們在三軸金剛石車床上加工自由曲面時(shí)，刀具在工件的每一圈都沿 Z 軸來回移動(dòng)，以加工非旋轉(zhuǎn)對稱形狀的透鏡。在這種情況下，刀具的后角限制了表面沿鏡頭上每個(gè)圓圈變化的速度，這稱為弧矢斜率。更準(zhǔn)確地說，刀具在表面上產(chǎn)生螺旋軌跡，但螺旋的步長非常小，在大多數(shù)情況下，可以將刀具軌跡視為一系列圓圈。對于旋轉(zhuǎn)對稱鏡片，弧矢斜率剛好為零。
圖 2. 子午和弧矢斜率，黃線表示沿哪個(gè)方向測量斜率
有時(shí)，從加工的角度來看，將工件放置在平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸之外而不是沿軸放置是合理的，這樣刀具在工件上的軌跡看起來幾乎是直線。在這種情況下，我們應(yīng)該控制所謂的 “X斜率” 和 “Y斜率”（圖3）。
圖3.
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此圖將曲面的子午、弧矢、x 和 y 曲率顯示為 2D 彩色、等高線圖或 3D 曲面圖（請參閱 OpticStudio 用戶手冊了解更多詳情）。局部半徑和曲率之間的關(guān)系很簡單：
曲率半徑 = 1 / 曲率
通常，刀具的尖端半徑和切削邊緣半徑明顯小于光學(xué)表面的局部半徑，因此在大多數(shù)情況下，我們不必在優(yōu)化過程中控制它。但在某些復(fù)雜形狀表面的特殊情況下可能需要它。在優(yōu)化的最后階段檢查自由曲面的局部曲率半徑是一種很好的做法，可以確保所選的刀頭沒有問題。
圖10.
Ansys Zemax | 利用 TrueFreeForm 面進(jìn)行網(wǎng)格自由曲面的優(yōu)化
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Bajuk，“自由曲面光學(xué)的實(shí)際實(shí)例”，載于《可再生能源與環(huán)境》，OSA 技術(shù)文摘（在線）（美國光學(xué)學(xué)會(huì)，2013 年），論文 FT3B.2。
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基于ANSYS/LS-DYNA曲面手機(jī)玻璃的拋光仿真分析
有限元學(xué)科作為一種新興的專業(yè)軟件分析技術(shù)，分析數(shù)學(xué)，材料力學(xué)，特別是數(shù)字信息技術(shù)的快速發(fā)展極大地推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)和學(xué)科進(jìn)步，本文基于ANSYS有限元顯式動(dòng)力分析軟件，模擬拋光時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，改變聚氨酯材料拋光絲的彈性模量進(jìn)行多次仿真計(jì)算，分析不同彈性模量的聚氨酯拋光絲對拋光時(shí)玻璃表面應(yīng)力和波動(dòng)率的影響大小。
模擬仿真時(shí)應(yīng)該注意對時(shí)步和對沙漏的控制，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)沙漏模態(tài)，以確保模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率；網(wǎng)格劃分一般分為四面體和六面體網(wǎng)格，系統(tǒng)一般會(huì)優(yōu)先選擇四面體網(wǎng)格；材料模型的選擇上，本次仿真模擬拋光過程所用的材料是通過選擇LS-DYNA的本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上修改其中所需參數(shù)來進(jìn)行分析計(jì)算的主要參數(shù)見表1。
表1 材料參數(shù)
本文主要從對比不同彈性模量的聚氨酯與玻璃拋光摩擦?xí)r玻璃受到的力學(xué)變化分析，并且根據(jù)分析后的變化進(jìn)一步分析單元的等效應(yīng)力應(yīng)變云圖。下圖為4個(gè)運(yùn)動(dòng)應(yīng)力變化分別在2 ms、10 ms和20 ms和40 ms的情況下的云圖。
圖1 不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖
拋光絲的波動(dòng)率變化，拋光絲在Z軸方向的位移量會(huì)導(dǎo)致表面應(yīng)力發(fā)生大的變化，工件表面的壓力不穩(wěn)定會(huì)進(jìn)一步影響整個(gè)工件表面的平整度，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下會(huì)使工件產(chǎn)生脆性斷裂，因?yàn)榫郯滨伖饨z是一種彈性體，這就要求在選擇材料的時(shí)候不一定彈性模量越高越好，同時(shí)還要考慮其波動(dòng)率。
圖2 10 MPa下Z軸速度變化
圖3 20 MPa下Z軸速度變化
圖4 30 MPa下Z軸速度變化
圖5 40 MPa下Z軸速度變化
由折線圖可以較為明顯地看出彈性模量在10 MPa和40 MPa情況下波動(dòng)要大于彈性模量20 MPa和30 MPa。
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在OpticStusio的序列和非序列模式中，我們可以使用各式的工具進(jìn)行自由曲面的光學(xué)設(shè)計(jì)。本文中，我們提供了一個(gè)以切比雪夫多項(xiàng)式表面（Chebyshev Polynomial surface）設(shè)計(jì)出離軸拋物面的范例，且此系統(tǒng)是在系列模式中進(jìn)行設(shè)計(jì)的。另外，在OpticStudio的序列模式中有超過20種自由曲面供選擇，本文將提到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（Lens Data Editor）中一些好用的篩選功能，可以協(xié)助設(shè)計(jì)者根據(jù)不同的應(yīng)用決定適合的自由曲面。
簡介
相較于傳統(tǒng)的球形光學(xué)原件，自由曲面是一種復(fù)雜、且擁有更大設(shè)計(jì)自由度的表面。雖然在制程上較為困難，但自由曲面的使用可以大幅的減少系統(tǒng)的體積。自由曲面可被應(yīng)用在各式不同的領(lǐng)域，天線、激光光束整形器（laser beam shaper）和哈伯太空望遠(yuǎn)鏡等的設(shè)計(jì)中，早已可見自由曲面的蹤跡。
OpticStudio提供了許多好用的功能，供用戶在序列和非序列模式中進(jìn)行自由曲面的設(shè)計(jì)。這篇文章，我們會(huì)在序列模式中以切比雪夫多項(xiàng)式表面設(shè)計(jì)出離軸拋物面。同時(shí)，我們還會(huì)討論如何快速的針對不同系統(tǒng)找出適合的自由曲面種類。
切比雪夫多項(xiàng)式表面(Chebyshev Polynomial surface)
在眾多OpticStudio的自由曲面選擇中，唯獨(dú)此表面是由切比雪夫多項(xiàng)式 （Chebyshev Polynomial）所定義的。這種類型的多項(xiàng)式的項(xiàng)次在歸一化方形孔徑上彼此正交，代表構(gòu)成表面幾何形狀的系數(shù)呈線性獨(dú)立。如此一來，當(dāng)我們對表面的幾何關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將不再受到局部最小值（local minima）的限制。與非球面的系統(tǒng)相比，自由曲面的設(shè)計(jì)過程可因此而變得更直觀。此外，切比雪夫多項(xiàng)式是由卡氏坐標(biāo)推導(dǎo)出的，而多數(shù)的多項(xiàng)式自由曲面則用于描述旋轉(zhuǎn)對稱的系統(tǒng)。
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問題：
Ansys workbench的框選功能只能按住Ctrl增加選項(xiàng)，卻沒有反向選擇框選減少的功能?。?！
Ansys workbench的connect創(chuàng)建連接非常方便，但是很多時(shí)候幾何面的區(qū)域和實(shí)際想要做連接的區(qū)域大相徑庭。這個(gè)時(shí)候一個(gè)較好的連接區(qū)域選擇方法是使用element Faces進(jìn)行連接區(qū)域的定義。但是遺憾的是ansys workbench的框選功能也是不咋滴，單元選擇較為麻煩——沒有反向選擇，框選減除的功能！！??！
雖然兩種方式對計(jì)算結(jié)果沒有什么影響，但是第二個(gè)選著方式在甲方看來，仿真工程師是有認(rèn)真在干活的。。。。。。。。。。
使用hypermesh的同事都知道，ansys workbench在鼠標(biāo)框選這個(gè)功能上差了很多。Ansys workbench的框選功能只能按住Ctrl增加選項(xiàng)，卻沒有反向選擇框選減少的功能?。?！
解決方案：
這里使用ansys workbench 的二次開發(fā)功能，增加一個(gè)針對單元面選擇的ACT插件。實(shí)現(xiàn)框選增加和框選減除的功能，雖然不能與hypermesh的右鍵反選功能相比肩，但實(shí)際應(yīng)用還是可以帶來很多便捷之處，尤其使用快捷鍵操作后，有很大提升。
功能實(shí)現(xiàn)邏輯：
1.首先用戶自己調(diào)整到element Faces 選擇類型，程序讀取當(dāng)前界面中加亮的element face單元的id號并存儲(chǔ)在global變量中。
2.用戶框選其它element faces單元，程序繼續(xù)讀取當(dāng)前選擇單元id號。再對global中存儲(chǔ)的id號進(jìn)行比較。
3.如果是增加操作，就合并兩次框選；如果是減除操作，就對global集合去除當(dāng)前選擇的集合。
具體實(shí)現(xiàn)方法：
首先，創(chuàng)建xml文件——在mechanical界面上方創(chuàng)建新的按鍵。
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問題：
前文在Ansys workbench中使用ACT方式增加了element Faces的反向選擇功能。但是在使用過程中感覺，還是有些不方便，所以對程序進(jìn)行了部分更新。主要是增加了一項(xiàng)對實(shí)體幾何邊的element Faces轉(zhuǎn)換功能。
結(jié)果示例：
實(shí)現(xiàn)過程簡要如下：
? 通過選擇實(shí)體幾何邊，利用convert to 功能轉(zhuǎn)為與幾何邊相關(guān)聯(lián)的單元。
? 再將單元轉(zhuǎn)為節(jié)點(diǎn)（這一步界面沒有操作，但是幫組文檔有命令“NodeIdsFromElementIds”可以實(shí)現(xiàn)），該命令執(zhí)行后可以返回，與單元相關(guān)的所有節(jié)點(diǎn)，包括實(shí)體內(nèi)部的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。
? 將這些節(jié)點(diǎn)，加入到NamedSelection中。
? 再利用NameSelection中的Convert to Element Face 功能，進(jìn)行轉(zhuǎn)換為表面單元（這一步，在幫助文檔中沒有找到對應(yīng)的命令）
將以上操作步驟，利用API命令執(zhí)行，就可以實(shí)現(xiàn)，選擇幾何邊轉(zhuǎn)為與邊相關(guān)連的單元面的選擇。（但是程序會(huì)在NamedSelecetion 中創(chuàng)建兩個(gè)選擇集）
示例.avi
這里將該功能增補(bǔ)到了上期的 合并/刪除 等功能。已經(jīng)下載上期的小伙伴可以聯(lián)系我，直接更新這個(gè)邊擴(kuò)展的功能。
展開 5/18 Ansys 增材制作解決方案2021 R1產(chǎn)品更新
Ansys Additive 2021R1新版本在增材所有產(chǎn)品組合中都提供了增強(qiáng)功能- Additive Prep, Additive Print, Additive Science 和 Workbench Additive -使用戶能夠進(jìn)一步提高他們的增材制造能力。
01
主題/時(shí)間
Ansys 增材制作解決方案2021 R1產(chǎn)品更新
5月18日16：00
02
新功能
1.正式發(fā)布用于熱求解器的316L不銹鋼材料（Additive Print和Additive Science）
2.正式發(fā)布2D微觀結(jié)構(gòu)（Additive Science）
3.增材向?qū)е行略鰳?biāo)定流程(Workbench Additive)
4.新增AM Bond接觸，并可通過向?qū)гO(shè)置（Workbench Additive）
5.創(chuàng)建EOS和Renishaw構(gòu)建文件(Additive Prep)
6.改進(jìn)的方向優(yōu)化和新的分析類型 (Additive Prep)。
03
講師介紹
鄭偉巍
Ansys結(jié)構(gòu)高級應(yīng)用工程師。畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱力渦輪機(jī)專業(yè)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專家。曾任諾基亞通信、摩托羅拉高級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，熟悉壓鑄件/塑料件/鈑金件設(shè)計(jì)及加工工藝，熟練使用CREO和Ansys工具，也曾有三年汽車領(lǐng)域碰撞及非線性有限元分析經(jīng)驗(yàn)。
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