航空相機(jī)金屬反射鏡光機(jī)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(jī)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(jī)的關(guān)鍵部件,其光學(xué)面型對光學(xué)系統(tǒng)的成像性能起至關(guān)重要作用。航空相機(jī)工作在大溫差和高振動載荷環(huán)境,在嚴(yán)酷工作環(huán)境下保證其機(jī)械性能和光學(xué)性能成為設(shè)計的重點。金屬反射鏡設(shè)計除滿足強(qiáng)度和剛度設(shè)計外,還要滿足光學(xué)面型指標(biāo),使用傳統(tǒng)設(shè)計方法滿足現(xiàn)有系統(tǒng)指標(biāo)較為困難,利用光機(jī)仿真和優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行反射鏡設(shè)計成為航空相機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)。

2光機(jī)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(qiáng)度和變形,光學(xué)設(shè)計分析軟件CodeV能夠評價鏡面位移和面型變化的光學(xué)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(xué)設(shè)計分析軟件所接受,國內(nèi)外研究者就該問題進(jìn)行了廣泛的研究,目的是將結(jié)構(gòu)仿真和光學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成,并將該分析方法稱為光機(jī)仿真分析(Integrated Optomechanical analysis)。

光機(jī)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(yù)先定義的光學(xué)面頂點坐標(biāo)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(xué)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(xué).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(xué)CodeV軟件評價光學(xué)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(jī)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(jī)分析過程定制工作,作者根據(jù)光機(jī)分析理論,自主開發(fā)了OpticMech光機(jī)分析軟件,也很好的完成光機(jī)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(jī)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(kuò)散函數(shù)(SPOT)和光學(xué)傳函(MTF)。

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3金屬反射鏡設(shè)計和光機(jī)仿真

金屬反射鏡的面型直接影響航空相機(jī)性能指標(biāo),為使工作載荷條件面型指標(biāo)達(dá)到光學(xué)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(yīng)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?fù)鋬?yōu)化

為了進(jìn)一步提高金屬反射鏡的光機(jī)性能,用HyperWorks對反射鏡的背筋分布做拓?fù)鋬?yōu)化以獲得更好的性能,以表5所示優(yōu)化條件進(jìn)行鏡體背筋的拓?fù)鋬?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(jìn)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?fù)鋬?yōu)化設(shè)計模型

5結(jié)論

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