在航空航天行業(yè)中,立方體衛(wèi)星是一種適用于太空光學(xué)系統(tǒng)的低成本、易于制造的解決方案。本博客系列闡述了如何使用Ansys Zemax軟件將立方體衛(wèi)星從最初的光學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈾C(jī)械封裝,以便進(jìn)行光機(jī)熱耦合系統(tǒng)性能(STOP)分析。
在設(shè)計(jì)了光學(xué)系統(tǒng)后,可以對(duì)有效載荷的光機(jī)械進(jìn)行建模。通過(guò)Creo Parametric中的Ansys Zemax OpticsBuilder,將光學(xué)模型導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)環(huán)境的過(guò)程變得簡(jiǎn)化而直觀。OpticsBuilder通過(guò)為每個(gè)光學(xué)組件生成原生幾何結(jié)構(gòu),將光學(xué)模型引入Creo。借助OpticsBuilder,光學(xué)仿真也可以直接在Creo中運(yùn)行,從而減少在光學(xué)設(shè)計(jì)工具和CAD軟件之間傳輸光學(xué)系統(tǒng)的情況。這有助于提高工程效率。
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將光學(xué)設(shè)計(jì)導(dǎo)出到OpticsBuilder中
在第一部分內(nèi)容中,最初的光學(xué)設(shè)計(jì)是針對(duì)立方體衛(wèi)星而建模的。光學(xué)設(shè)計(jì)完成后,需要設(shè)計(jì)光機(jī)械以將光學(xué)元件保持在合適的容差范圍內(nèi)。為了在我們的系統(tǒng)中輕松構(gòu)建光機(jī)械,光學(xué)設(shè)計(jì)可以通過(guò)OpticsBuilder從Ansys OpticStudio導(dǎo)出到CAD環(huán)境。
如要導(dǎo)出光學(xué)設(shè)計(jì),可以使用OpticStudio中的Prepare for OpticsBuilder工具。導(dǎo)出時(shí),OpticStudio會(huì)將所有相關(guān)信息打包到.ZBD文件中,并為您自動(dòng)執(zhí)行一些任務(wù)。
圖1:Prepare for OpticsBuilder工具
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該工具先會(huì)確認(rèn)光學(xué)設(shè)計(jì)中的所有表面和物體都與Creo兼容,然后再運(yùn)行光線追跡來(lái)分析系統(tǒng)性能。一旦將.ZBD文件導(dǎo)入到OpticsBuilder中,此光線追跡的結(jié)果將被用作對(duì)比基礎(chǔ)。當(dāng)該文件導(dǎo)入到Creo中的OpticsBuilder時(shí),將通過(guò)動(dòng)態(tài)運(yùn)行新的光線追跡來(lái)進(jìn)行第二次仿真。此光線追跡用于驗(yàn)證導(dǎo)入的光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能未發(fā)生變化。
圖 2.導(dǎo)入OpticsBuilder后的光線追跡仿真
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立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)的光機(jī)械考量因素
接下來(lái),需要設(shè)計(jì)立方體衛(wèi)星的外部框架和光機(jī)械。在設(shè)計(jì)流程的這一環(huán)節(jié)需要考慮幾個(gè)因素,包括:
有效載荷尺寸限制
在軌運(yùn)行溫度和壓力條件
有效載荷在發(fā)射到軌道期間經(jīng)歷的振動(dòng)載荷
材料選擇導(dǎo)致的熱脹/冷縮
防雜散光的擋板設(shè)計(jì)
確保光機(jī)械設(shè)計(jì)不會(huì)干擾光束路徑
OpticsBuilder的仿真工具可以將光學(xué)元件作為原生幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)入CAD環(huán)境中,簡(jiǎn)化光機(jī)械設(shè)計(jì)工作流程。因?yàn)闊o(wú)需為了特定任務(wù)在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件和CAD之間持續(xù)傳輸設(shè)計(jì),所以工程師能夠以更高的效率應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
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立方體衛(wèi)星的光機(jī)械設(shè)計(jì)
在此立方體衛(wèi)星工作流程示例中,光機(jī)械設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的立方體衛(wèi)星外形尺寸,即3個(gè)單位(U)。1U的空間相當(dāng)于10厘米×10厘米×10厘米。立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)由斯坦福大學(xué)空間系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室和圣路易斯-奧比斯波的加州州立理工大學(xué)創(chuàng)建。
首先,在Creo Parametric中繪制了3-U立方體衛(wèi)星的外部框架。下圖顯示了沒(méi)有任何光學(xué)元件的外部框架。
圖 3.3-U 立方體衛(wèi)星的外部框架
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隨著外部框架的開(kāi)發(fā),光學(xué)設(shè)計(jì)被添加到了該結(jié)構(gòu)中。然后,構(gòu)建光機(jī)械結(jié)構(gòu)以裝配光學(xué)元件,并將其與外部框架相匹配。
圖4:為3-U 立方體衛(wèi)星完成光學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)
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在光機(jī)械設(shè)計(jì)完成后,可以使用仿真工具,在Creo Parametric中對(duì)這些組件對(duì)光學(xué)性能的影響進(jìn)行仿真。在最后的仿真中,完整光機(jī)械模型被太陽(yáng)能電池板包裹裝配。
光線追跡仿真驗(yàn)證了光機(jī)械對(duì)光學(xué)性能沒(méi)有重大影響。現(xiàn)在可以將構(gòu)建的整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)出到有限元分析(FEA)軟件,開(kāi)始STOP分析。
圖 5.最終光學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)的光線追跡仿真
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借助OpticsBuilder,可以縮小光學(xué)工程與機(jī)械工程之間的文件形式差異。通過(guò)簡(jiǎn)化、直觀的工作流程,工程團(tuán)隊(duì)可以更高效地應(yīng)對(duì)光機(jī)械設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。
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