sigfit應(yīng)用文檔資料第第頁(yè)Sigfit文檔美國(guó)Sigmadyne公司在光機(jī)熱耦合仿真分析領(lǐng)域有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，向客戶提供光機(jī)熱集成分析方案和專家級(jí)咨詢服務(wù)。Sigfit軟件由Sigmadyne公司開發(fā)，它是一款光機(jī)熱耦合分析工具。Sigfit能夠直接將有限元分析工具（MSCNastran、Ansys和Abaqus）與光學(xué)分析工具（CodeV、Zemax和OSLO）集成，并可以通過有限元分析工具和熱分析工具的接口能力將Radtherm、MSCSinda和Thermica等輻射與熱分析工具集成到一起，從而實(shí)現(xiàn)熱、機(jī)、光的完美耦合；可以將有限元分析得到的光學(xué)面形等結(jié)果文件通過澤尼克多項(xiàng)式擬合或者插值轉(zhuǎn)化為光學(xué)工具的輸入文件，并可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的促動(dòng)器布局優(yōu)化、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、光程差分析及應(yīng)力雙折射效應(yīng)、設(shè)計(jì)優(yōu)化等。該工具在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光存儲(chǔ)、激光打印、激光通信和燈具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1、基本功能模塊高性能的光學(xué)系統(tǒng)必須通過集成的光機(jī)熱耦合分析預(yù)測(cè)其性能，這就需要把有限元分析的結(jié)果精確地傳遞給光學(xué)分析工具。常用有限元工具（如Abaqus、Nastran、Ansys）的分析結(jié)果（溫度、變形和應(yīng)力）往往直接與節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，其結(jié)果文件不能直接用于光學(xué)分析，而需要經(jīng)過一系列變換：?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)換、定義頂點(diǎn)坐標(biāo)系、光學(xué)面形的多項(xiàng)式擬合、將有限元網(wǎng)格插值為點(diǎn)陣圖等。為此，Sigfit提供了滿足高性能光學(xué)系統(tǒng)分析要求的光-機(jī)-熱耦合分析方案，如圖一所示。圖一?

多項(xiàng)式擬合：可以將多種輸入格式的數(shù)據(jù)擬合為多項(xiàng)式格式?？蛇x的多項(xiàng)式類型包括標(biāo)準(zhǔn)和邊緣Zernike多項(xiàng)式、非球面多項(xiàng)式、X-Y多項(xiàng)式、最佳曲率半徑擬合等。擬合的同時(shí)計(jì)算出P-V值、RMS值等。?

多種輸入格式：光學(xué)面形可以用單元結(jié)果、節(jié)點(diǎn)文件、干涉向量或多項(xiàng)式系數(shù)等格式輸入，也支持Nastran、Ansys、Abaqus和Cosmos等有限元軟件的文件格式輸入。?

多種輸出格式：面形、應(yīng)力和溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)可以輸出為列表的形式供查看或打印，也可輸出為節(jié)點(diǎn)文件供繪制二維圖，還可以輸出為光學(xué)分析工具CodeV、Zemax和Oslo可識(shí)別的文件格式。供光學(xué)分析工具使用的文件包含了剛體位移文件和彈性變形文件。其中光學(xué)表面的彈性變形可以用Zernike系數(shù)或數(shù)組描述。所有的輸出文件都是ASCII文件，可以在各種操作系統(tǒng)下使用。?

表面位移插值：Sigfit的輸入和輸出文件都可插值處理。Sigfit可以將單元結(jié)果插值為點(diǎn)陣圖或者另一種網(wǎng)格結(jié)果。插值后的數(shù)值往往用于對(duì)比仿真預(yù)測(cè)的結(jié)果與光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；也可用于描述用Zernike多項(xiàng)式無法準(zhǔn)確描述的單元變形，如輕型反射鏡上的變形。插值為一種新的網(wǎng)格則往往用于應(yīng)用光學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)或?qū)⒎治鰠^(qū)域限制在僅僅有射線束的光學(xué)表面區(qū)域。Sigfit也可以讀入用戶的光學(xué)表面變形量數(shù)組，在導(dǎo)入測(cè)試數(shù)據(jù)用于擬合Zernike多項(xiàng)式或者評(píng)估自適應(yīng)控制效果時(shí)就會(huì)用到這種方式。2、高級(jí)應(yīng)用模塊 Sigfit除了上述基本功能，還可以進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)等，具體包括：?

主動(dòng)控制仿真：預(yù)測(cè)主動(dòng)控制光學(xué)器件的最佳修正面形。其輸入除了多項(xiàng)式擬合的面形文件外，還需要激勵(lì)源的影響數(shù)據(jù)。激勵(lì)源的影響數(shù)據(jù)包含多組數(shù)據(jù)，每組分別描述了一個(gè)激勵(lì)源的影響效果。考慮激勵(lì)源的修正曲面預(yù)測(cè)結(jié)果可以輸出為多項(xiàng)式形式、插值為點(diǎn)陣圖或者在后處理中查看云圖效果。Sigfit還可以根據(jù)一定約束自動(dòng)優(yōu)化、計(jì)算施加激勵(lì)源的位置，并分析光學(xué)表面RMS值隨激勵(lì)源數(shù)目的變化關(guān)系，為設(shè)計(jì)激勵(lì)源提供參考。?

動(dòng)態(tài)響應(yīng)：計(jì)算光學(xué)面形由于瞬態(tài)、諧波和隨機(jī)載荷引起的剛體位移、曲率變化和RMS誤差、傳遞函數(shù)及各階模態(tài)對(duì)曲面RMS的影響等。?

設(shè)計(jì)優(yōu)化（僅MSCNastran）：Sigift結(jié)合MSCNastran的優(yōu)化功能，將面形的Zernike系數(shù)、RMS值和P-V值等作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。?

光程差分析：應(yīng)力和溫度梯度均會(huì)引起折射率變化，SigFit可以基于有限元的應(yīng)力和溫度結(jié)果分析光程差、應(yīng)力雙折射等。?

系統(tǒng)分析：進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)敏感性分析，不是僅僅分析單個(gè)鏡面，而是分析如何使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的RMS最小。應(yīng)用&案例?

光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方案對(duì)于一個(gè)采用主動(dòng)控制的軌道望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，主鏡為由三角形芯板單元和前后面板組成的大型輕型鏡面（如圖），要基于光學(xué)性能指標(biāo)（如面形RMS）優(yōu)化幾何設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)變量：前后面板厚度、芯板厚度。優(yōu)化目標(biāo)：主鏡重量最輕,同時(shí)滿足固有頻率、發(fā)射應(yīng)力等要求。利用MSCNastran的優(yōu)化功能，結(jié)合Sigift，為此類光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題提供了強(qiáng)有力的解決手段。?

集成光機(jī)熱耦合仿真Sigfit可以將有限元分析模型的應(yīng)力和溫度結(jié)果轉(zhuǎn)換為光學(xué)分析所需的平均光程差、雙折射等數(shù)據(jù)。首先通過有限元仿真分析得到光學(xué)穿過鏡頭的過程中的變形、溫度和應(yīng)力，再通過Sigfit將每個(gè)透鏡的各光學(xué)面形通過剛體位移和澤尼克多項(xiàng)式擬合等方式輸出，同時(shí)溫度變化和應(yīng)力引起的光學(xué)效應(yīng)也通過澤尼克多項(xiàng)式擬合輸出為光程差Map圖，最后光學(xué)分析工具以這些Sigfit的輸出文件為輸入，分析得到光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)等結(jié)果。雙高斯透鏡鏡頭模型

剛體位移與變形結(jié)果透鏡的溫度分布

透鏡的主應(yīng)力分布光學(xué)分析的調(diào)制傳遞函數(shù)?

主動(dòng)控制仿真Sigfit根據(jù)主動(dòng)控制支撐力的數(shù)據(jù)，集成有限元仿真分析，預(yù)測(cè)分析光學(xué)設(shè)備的最小變形效果。光學(xué)系統(tǒng)性能提升環(huán)境因素降低光學(xué)性能當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)被暴露于非理想環(huán)境時(shí)其光學(xué)性能降低。舉例來說，當(dāng)遭受到由激光引起的熱效應(yīng)時(shí)，一個(gè)設(shè)計(jì)用來產(chǎn)生計(jì)高質(zhì)量圖像的透鏡系統(tǒng)可能低質(zhì)量的圖像。光束中的能量被每個(gè)透鏡吸收，引起溫度梯度變化進(jìn)而引起鏡面變形。第二個(gè)影響是溫度梯度變化導(dǎo)致折射角、這些變化取決于溫度與光學(xué)材料屬性變化的關(guān)系。第三個(gè)影響，影響程度稍低的是，溫度梯度產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而改變折射方向。這些因素的綜合效應(yīng)引起成像質(zhì)量下降。當(dāng)照相機(jī)的光圈數(shù)是確定的話，影響光學(xué)的表現(xiàn)的另外的一個(gè)通常的環(huán)境因素是振動(dòng)。任何在穩(wěn)定狀況下產(chǎn)生高質(zhì)量影像的照相機(jī)都會(huì)因?yàn)橹挝矬w的振動(dòng)而產(chǎn)生低質(zhì)量的照片。手握式照相機(jī)的振動(dòng)源是人手的不穩(wěn)定握持。一個(gè)高質(zhì)量成像系統(tǒng)的可能的振動(dòng)源:冷卻系統(tǒng)、海拔控制系統(tǒng)、飛機(jī)振動(dòng)和周圍可能的振動(dòng)源。一個(gè)好的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須能夠預(yù)先考慮光學(xué)系統(tǒng)所處環(huán)境的影像，并且優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)減輕受環(huán)境的影響程度。MDNastran能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械性能SigFit軟件一個(gè)將MDNastran軟件的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為光學(xué)性能參數(shù)的光學(xué)分析軟件。光學(xué)--結(jié)構(gòu)一體化分析集成的光學(xué)，結(jié)構(gòu)分析同時(shí)考慮有限元分析中熱分析、結(jié)構(gòu)分析與光學(xué)分析耦合。以透鏡分析為例首先在MDNastran中計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的溫度梯度分布，后將結(jié)果導(dǎo)入SigFit計(jì)算對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響。這些溫度變化引起透鏡表面變形和光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)力變化可以在MDNastran利用熱固耦合分析，計(jì)算后的變形和應(yīng)力被到導(dǎo)入SigFit軟件。利用這些輸入數(shù)據(jù)，SigFit能夠預(yù)測(cè)溫度梯度變化在光學(xué)系統(tǒng)中的綜合影響。SigFit可以處理將有限元結(jié)果轉(zhuǎn)換為光學(xué)系統(tǒng)中的問題。例如坐標(biāo)系變換、單位轉(zhuǎn)換和面排序等。SigFit最常用的生成的結(jié)果文件有剛體位移、光學(xué)系統(tǒng)多項(xiàng)式系數(shù)，這些參數(shù)與其他光學(xué)分析軟件的轉(zhuǎn)換量級(jí)、歸一化、格式相一致。望遠(yuǎn)鏡性能的提升耦合SigFit和MDNastran的優(yōu)化能力被證明是集成分析方法中最有價(jià)值的部分。在這個(gè)案例中，一個(gè)可調(diào)節(jié)、質(zhì)量最輕的主鏡在滿足光學(xué)性能的前提下，優(yōu)化其最佳幾何外形。設(shè)計(jì)變量是透鏡前、后面板厚度和透鏡核心在8個(gè)分割區(qū)域的厚度。允許透鏡厚度增加至執(zhí)行機(jī)構(gòu)附件以提高性能。設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足自振頻率和發(fā)射時(shí)應(yīng)力的約束下，透鏡質(zhì)量最小。光學(xué)性能的約束有在1G載荷作用下鏡面的RMS值，面RMS約束是可適應(yīng)的近似面。這個(gè)需要在MDNastranSOL200中通過DRESP3調(diào)用SigFit計(jì)算得到。從表格中的結(jié)果可以看出MDNastran在保證光學(xué)和結(jié)構(gòu)性能的前提下，通過2個(gè)因素減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量。其他SigFit能力SigFit有其他