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[原创] 全球首款光机热耦合分析软件,精密精准马上来!

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概述

        美国 Sigmadyne 公司的 SigFit 软件是专业的光机热耦合分析工具,可以将有限元分析得到的光学表面变形等结果文件通过多项式拟合或插值转化为 Zemax/CodeV 等光学分析软件的输入文件,还可实现动态响应分析、光程差分析、设计优化和主动控制光学系统的促动器布局及优化等。SigFit 帮助用户完美解决了不同学科间的数据传递难题,极大缩短了研发周期,节省了研发成本,有效提升了光学设计仿真精度,最大程度上提高了光机产品的成像质量与环境适应性。目前,SigFit 已广泛应用于空间相机、红外光学镜头、激光引信、激光雷达、光学导引头、光学传感器、舰载光电武器、激光通信、显微光刻等的研发阶段。

        恒润科技针对客户需求,提供了成熟的光 - 机 - 热集成分析与优化设计解决方案,基于多学科集成与设计优化的思路,实现设计光、机械、电、热等跨学科综合系统的自动化仿真与设计优化。


产品介绍

基本功能
    ♦ 面型拟合
        将热与机械分析得到的温度、应力及面型变化等分析结果导入 SigFit,通过多项式拟合或插值,转换为光学分析软件可以读取的格式,直接在光学分析软件中考虑系统受到外界热、机械作用后的光学性能变化。

        ►多项式拟合:将多种输入格式的数据拟合为多项式,拟合类型包括标准和边缘 Zernike 多项式、非球面多项式、XY多项式等九种格式

        ►表面变形插值:将光学测试的试验数据或有限元仿真的网格数据插值为一个数组或者另一种网格结果,以用于仿真预测结果与光学测试结果的对比,或用于拟合 Zernike 多项式无法准确描述的光学表面变形

        该模块完美解决了不同学科间数据传递难题,帮助用户实现从有限元分析到光学分析软件的无缝连接。


光机热耦合分析流程图


高级功能
    ♦ 主动控制
        分析光学面形 RMS 值随激励源数目的变化关系,分析如何布置激励源使光学表面 RMS 值最小,为施加激励源的位置和大小提供参考;根据一定约束自动优化、计算施加激励源的位置。

        该模块用于主动控制 / 自适应光学系统的设计过程,综合考虑多个促动器的交叉影响,帮助用户优化整体促动器布局方案,节省设计时间。



    ♦

动态响应
        基于有限元固有频率分析结果、通过用户在 SigFit 中指定的激励载荷和阻尼等计算面形由于谐波振动 / 随机振动 / 瞬态载荷引起的刚体位移、曲率变化、RMS 误差、传递函数变化、LOS 晃动以及各阶模态对 RMS 的影响等。

        该模块可帮助用户将机械振动与光学性能分析指标联系起来,预测不同工况下影响较大的模态,为设计提供参考,提高仿真分析精度,有效提升光机系统环境适应性。

    ♦

设计优化
        将光学表面的 Zernike 系数、面型 RMS 值、PV 值等参数转变为 Nastran 格式的方程,利用 Nastran 的优化求解器对光学表面的面型、支撑结构、材料参数等进行优化,获得最佳的光学系统设计方案。

        该模块使得用户可以在考虑光学性能的前提下调用 Nastran 求解器进行优化,实现光机系统的多学科综合优化,有效提升光机产品综合性能。

    ♦

光程差分析
        包括热光分析,应力光学分析及气动光学分析三大类。利用有限元分析 / 流体分析得到的应力、温度分析结果 / 流体的密度分析结果,根据温度、应力、密度与折射率之间的关系,计算得到对应的光程差及双折射等光学特性。

        该模块提供了热光分析、应力光学分析、气动光学分析的实现途径,在设计阶段对热、应力、气体密度通过影响光学系统的折射率对光学性能带来的影响进行分析,实现高精度要求的光机系统设计。


应用&案例
        Courtesy NASA Goddard Space Flight Center 空间望远镜主镜需要通过单点的主动控制来保证其面型 RMS 值,主镜背面原始的支撑结构设计能够达到的最佳面型 RMS 值修正效果为 225nm,不能满足 35nm 的初始设计要求。为此,在镜片设计过程中利用了 SigFit 的结构优化功能,在 SigFit 中将面型 RMS 值转换为 Nastran 语言方程,通过调用 Nastran 的优化求解器对镜面支撑形状进行了优化,最终将面型 RMS 的最大值降低至 33nm,满足实际设计要求。


基本设计方案及其主动控制的 RMS 值(225nm)


优化后设计方案及其主动控制的 RMS33nm)


        SigFit 涉及的应用领域包括航空、航天、制图、能源研究、天文、医学 ( 隐形眼镜、人工晶体 )、通讯、娱乐 ( 电影放映 )、显微光刻等,目前已成功应用于 TMT(Thirty Meter Telescope)、NASA James Webb 空间望远镜、NASA Europa Clipper 等系统的研发阶段。

        恒润科技是 SigFit 中国独家代理商。目前,恒润科技已为包括以下客户在内的多家单位提供了光 - 机 - 热耦合分析软件及完善的光 - 机 - 热集成分析与优化设计解决方案。


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