Ansys Zemax | 使用软件建立立方体卫星系统（四）

使用Ansys Zemax构建立方体卫星系统（四）：整合有限元分析与光学系统性能评估

概述与引入

本系列文章的第四部分，我们探讨了如何将Ansys Mechanical的有限元分析（FEA）数据导入STAR模块，并将其用于OpticStudio中进行序化分析（STOP分析），主要关注分析FEA数据对光学性能的影响，并根据不同温度条件下的性能调整设计参数，以优化立方体卫星系统。




结构形变数据导入与分析

在三个特定温度（12℃、15℃、18℃）下，通过Ansys Mechanical，我们为立方体卫星的主镜和次镜生成了结构形变数据集。接下来，将这些形变数据集整合进入STAR模块以进行结构、热与光学性能的综合分析。

STAR模块中的处理流程

数据加载：首先，通过加载FEA数据工具，将文本格式的结构与热数据集导入到STAR模块，并准确地指派给模型中的每一个光学表面，确保数据的准确对应。

拟合与优化：应用预测FFT MTF（频率响应、点扩散函数）和传统的点列图测试，以检查数据拟合的质量。利用STAR的拟合评估工具，调整FEA数据的拟合参数（如网格1和网格2的拟合参数），以优化数据与模型表面的匹配度，减少拟合误差。

系统性能分析：通过分析结构和热数据在不同温度下的表现，确认系统的光学性能。使用STAR提供总结功能查看并控制每个温度下的结构数据表，以便于细致对比和评估。

探测器最佳焦点位置的调整

针对12℃时系统性能下滑的问题（衍射极限点偏离至无效区域，MTF降低至不合规水平），明确了对探测器拓装位置进行优化的需求。基于STAR结果的分析指出，探测器的当前位置在轨道环境下的性能优化点不在21℃设定的位置上。对此采取的主要行动是：

探测器离焦校正：在21℃时，探测器放置在最佳位置，但进行轨道模拟时（15℃至18℃），通过调整探测器最佳焦点位置，使得探测器的对焦在所有工作温度下自动适应。

行动策略：首先，使用STAR模块，加载所有三种工作温度条件下的有限元分析数据集，集中评估探测器的最佳聚焦位置与温度之间的线性关系。基于该分析结果，决定在所有工作温度下将探测器调整至6.845mm后焦距的位置，即从21℃最佳聚焦位置移动0.173mm。

设计迭代与机械优化

为了在满足设计条件的同时确保机械稳定性，针对主镜和次镜间的力学形变分布提出了针对性优化方案：

机械设计改进：改变了两个反射镜的固定气动上的载荷分布，以保持镜像间载荷分布的平衡性。这种设计调整有效地简化了两个镜像的相对变形关系。

网格结构调整：对主镜固定器上的力学形变网格进行了优化，通过减少计量杆封闭长度并雕刻材料，提高了组件之间连接的灵活性，进而为系统性能的稳定性提供保障。

几个关键的结论

流程整合：Ansys Zemax软件组合提供了从光学设计到光机建模，再到结构热性能分析的全面解决方案。此流程促进了工程迭代与优化，使得工程师能够利用有限时间高效地创建更加稳定、性能优化的立方体卫星系统。

平台优势：该工作流程为导航到特定光学系统的设计和构建提供了强大工具集，这为工程师处理具有类似需求的航天产品时提供了重要的参考。

总之，Ansys Zemax工作流程展示了从理论到实际应用的成功转化，为立方体卫星系统的开发提供了完整的工程评估与设计优化管道。通过高效整合光学设计、结构性能评估以及持续的迭代优化，该软件组合有效地提升了系统在复杂空间环境下的性能潜力，确保了立方体卫星可靠地执行其任务。

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