航空相機金屬反射鏡光機仿真優(yōu)化設(shè)計研究【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1引言

航空相機主要用于航空偵查、遙感和地形測繪,金屬反射鏡是航空相機的關(guān)鍵部件,其光學面型對光學系統(tǒng)的成像性能起至關(guān)重要作用。航空相機工作在大溫差和高振動載荷環(huán)境,在嚴酷工作環(huán)境下保證其機械性能和光學性能成為設(shè)計的重點。金屬反射鏡設(shè)計除滿足強度和剛度設(shè)計外,還要滿足光學面型指標,使用傳統(tǒng)設(shè)計方法滿足現(xiàn)有系統(tǒng)指標較為困難,利用光機仿真和優(yōu)化設(shè)計方法進行反射鏡設(shè)計成為航空相機研制的關(guān)鍵技術(shù)。

2光機仿真分析方法研究

結(jié)構(gòu)有限元分析方法能夠精確的計算溫度和振動等載荷作用下反射鏡的強度和變形,光學設(shè)計分析軟件CodeV能夠評價鏡面位移和面型變化的光學性能改變,但結(jié)構(gòu)有限元計算的變形結(jié)果是離散的單元節(jié)點位移,無法被光學設(shè)計分析軟件所接受,國內(nèi)外研究者就該問題進行了廣泛的研究,目的是將結(jié)構(gòu)仿真和光學仿真技術(shù)進行系統(tǒng)集成,并將該分析方法稱為光機仿真分析(Integrated Optomechanical analysis)。

光機仿真分析的基本流程是:

a)結(jié)構(gòu)有限元計算鏡面變形;

b)在預先定義的光學面頂點坐標系下計算剛體位移,原始變形數(shù)據(jù)去除剛體位移;

c)用去除剛體位移的變形數(shù)據(jù)評價光學面面型Rms和Pv;

d)面型數(shù)據(jù)計算zernike多項式系數(shù)和殘差;

e)將剛體位移和zernike系數(shù)寫出光學.seq文件和面型后處理圖形文件;

f)Patran后處理圖形顯示面型;

g)將.seq文件帶入光學CodeV軟件評價光學性能。

a)步驟在結(jié)構(gòu)有限元軟件中計算完成,b)至e)步驟需要利用光機分析軟件來實現(xiàn),美國Sigma-dyne公司開發(fā)的商業(yè)軟件sigfit能夠很好的實現(xiàn)該分析過程。為了滿足產(chǎn)品開發(fā)需要和光機分析過程定制工作,作者根據(jù)光機分析理論,自主開發(fā)了OpticMech光機分析軟件,也很好的完成光機分析過程。同時利用兩軟件做分析計算對比,計算對象是航空相機窗口受到0.08MPa充壓載荷的光窗剛體位移和面型。表1為兩軟件剛體位移數(shù)據(jù)對比,表2是面型數(shù)據(jù)對比,二者計算結(jié)果一致。圖1是在CodeV軟件中計算的光窗變形后點擴散函數(shù)(SPOT)和光學傳函(MTF)。

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3金屬反射鏡設(shè)計和光機仿真

金屬反射鏡的面型直接影響航空相機性能指標,為使工作載荷條件面型指標達到光學系統(tǒng)設(shè)計要求,反射鏡設(shè)計需要滿足以下要求:

1)反射鏡進行輕量化設(shè)計后要保證鏡體有足夠剛性,以減小振動和過載面型下降;

2)反射鏡安裝接口宜采用柔性連接結(jié)構(gòu),減小安裝應力造成的面型下降;

3)反射鏡材料與鏡支撐架結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)基本一致,避免熱膨脹不一致產(chǎn)生的內(nèi)應力使面型下降;

圖2是經(jīng)過輕量化設(shè)計的金屬反射鏡,其鏡面厚度、筋厚和筋分布按傳統(tǒng)方法進行設(shè)計計算,反射鏡做以下分析計算:

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圖2 金屬反射鏡模型

1)計算反射鏡模態(tài)頻率評價其動剛度;

2)計算安裝面不平度的面型改變評價安裝應力影響;

3)計算鏡面法向lg過載面型改變評價其靜剛度。

表3是計算的前二階模態(tài)頻率,表4是利用OpticMech分析軟件計算的鏡面面型。圖3顯示了計算的模態(tài)頻率和面型云圖。

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4金屬反射鏡拓撲優(yōu)化

為了進一步提高金屬反射鏡的光機性能,用HyperWorks對反射鏡的背筋分布做拓撲優(yōu)化以獲得更好的性能,以表5所示優(yōu)化條件進行鏡體背筋的拓撲優(yōu)化,得到圖4所示背筋最佳傳力路線,按此設(shè)計圖5所示反射鏡,再對該反射鏡進行性能評估,優(yōu)化后的反射鏡一階頻率由原設(shè)計方案1083Hz增加到了1230Hz(提高了13.5%),lg過載面型Rms由0?030um下降到0.025um(改善16.6%),面型Pv由0.17Pm下降到0.13um(改善23.5%),反射鏡優(yōu)化后性能得到有效提高。

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圖5 反射鏡拓撲優(yōu)化設(shè)計模型

5結(jié)論

金屬反射鏡是航空相機中關(guān)鍵部件,對系統(tǒng)性能起關(guān)鍵作用,光機仿真技術(shù)把結(jié)構(gòu)有限元仿真和光學仿真做了系統(tǒng)集成,作者根據(jù)光機仿真理論開發(fā)了OpticMech光機分析軟件,在設(shè)計階段用光機仿真技術(shù)有效評估了金屬反射鏡性能,用拓撲優(yōu)化提高反射鏡光機性能,為航空相機精細化設(shè)計提供了有力技術(shù)保障。