航空相机金属反射镜光机仿真优化设计研究【转发】

2018-04-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

1引言

航空相机主要用于航空侦查、遥感和地形测绘,金属反射镜是航空相机的关键部件,其光学面型对光学系统的成像性能起至关重要作用。航空相机工作在大温差和高振动载荷环境,在严酷工作环境下保证其机械性能和光学性能成为设计的重点。金属反射镜设计除满足强度和刚度设计外,还要满足光学面型指标,使用传统设计方法满足现有系统指标较为困难,利用光机仿真和优化设计方法进行反射镜设计成为航空相机研制的关键技术。

2光机仿真分析方法研究

结构有限元分析方法能够精确的计算温度和振动等载荷作用下反射镜的强度和变形,光学设计分析软件CodeV能够评价镜面位移和面型变化的光学性能改变,但结构有限元计算的变形结果是离散的单元节点位移,无法被光学设计分析软件所接受,国内外研究者就该问题进行了广泛的研究,目的是将结构仿真和光学仿真技术进行系统集成,并将该分析方法称为光机仿真分析(Integrated Optomechanical analysis)。

光机仿真分析的基本流程是:

a)结构有限元计算镜面变形;

b)在预先定义的光学面顶点坐标系下计算刚体位移,原始变形数据去除刚体位移;

c)用去除刚体位移的变形数据评价光学面面型Rms和Pv;

d)面型数据计算zernike多项式系数和残差;

e)将刚体位移和zernike系数写出光学.seq文件和面型后处理图形文件;

f)Patran后处理图形显示面型;

g)将.seq文件带入光学CodeV软件评价光学性能。

a)步骤在结构有限元软件中计算完成,b)至e)步骤需要利用光机分析软件来实现,美国Sigma-dyne公司开发的商业软件sigfit能够很好的实现该分析过程。为了满足产品开发需要和光机分析过程定制工作,作者根据光机分析理论,自主开发了OpticMech光机分析软件,也很好的完成光机分析过程。同时利用两软件做分析计算对比,计算对象是航空相机窗口受到0.08MPa充压载荷的光窗刚体位移和面型。表1为两软件刚体位移数据对比,表2是面型数据对比,二者计算结果一致。图1是在CodeV软件中计算的光窗变形后点扩散函数(SPOT)和光学传函(MTF)。

3金属反射镜设计和光机仿真

金属反射镜的面型直接影响航空相机性能指标,为使工作载荷条件面型指标达到光学系统设计要求,反射镜设计需要满足以下要求:

1)反射镜进行轻量化设计后要保证镜体有足够刚性,以减小振动和过载面型下降;

2)反射镜安装接口宜采用柔性连接结构,减小安装应力造成的面型下降;

3)反射镜材料与镜支撑架结构材料热膨胀系数基本一致,避免热膨胀不一致产生的内应力使面型下降;

图2是经过轻量化设计的金属反射镜,其镜面厚度、筋厚和筋分布按传统方法进行设计计算,反射镜做以下分析计算:

图2 金属反射镜模型

1)计算反射镜模态频率评价其动刚度;

2)计算安装面不平度的面型改变评价安装应力影响;

3)计算镜面法向lg过载面型改变评价其静刚度。

表3是计算的前二阶模态频率,表4是利用OpticMech分析软件计算的镜面面型。图3显示了计算的模态频率和面型云图。

4金属反射镜拓扑优化

为了进一步提高金属反射镜的光机性能,用HyperWorks对反射镜的背筋分布做拓扑优化以获得更好的性能,以表5所示优化条件进行镜体背筋的拓扑优化,得到图4所示背筋最佳传力路线,按此设计图5所示反射镜,再对该反射镜进行性能评估,优化后的反射镜一阶频率由原设计方案1083Hz增加到了1230Hz(提高了13.5%),lg过载面型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%),反射镜优化后性能得到有效提高。