基于集成分析法的光机热一体化设计

　　1　引　言

　　空间光学仪器是一种高科技的精密仪器,为保证其在空间环境下正常工作,空间光学仪器的光机结构必须具有足够的刚度、强度以及良好的结构稳定性, 这就对光机结构设计提出了较高的要求。在以往的设计中由于使用串行设计方法,各分系统设计参数相互制约,系统难以达到优化,同时还具有经济性差,研制周期 长等缺点。以集成分析法为基础建立起来的光机热一体化设计很好地克服了这些缺点。本文介绍了光机热一体化设计的特点和基本过程,集成分析法在其中所起的作 用,以及数据转换接口程序进行数据处理的理论基础,并针对某一空间仪器的主镜系统进行了光机热一体化设计,通过集成分析计算,修改了设计方案,得到优化的 系统参数。

　　2　集成分析法与光机热一体化设计

　　2.1　集成分析法

　　集成分析法是目前国际上解决跨学科问题所普遍采用的一种方法。为了在工程中相互合作进行跨学科评估,各学科分别应用软件分析来解决问题,并将一 个分析软件所得的结果作为另一个计算过程或程序的源数据,通过各种分析软件间的有效数据传输将各学科独立的分析软件集成于一体[1]。应用于光学工程的集 成分析法是通过数据传输接口将热、结构和光分析程序集成为一体,从而实现对光机系统综合性能的快速评估,其中包括评估设计方案和修改设计参数。这种方法可 以节省成本,缩短进度,提高分析的精度[2]。图1为集成分析法的流程。集成分析法的提出,标志着包括动力学载荷、热载荷在内的多种环境扰动对空间光学仪 器的影响可以在一个模型内得到解决,使系统级的工程分析成为了现实。但如何将有限元方法计算出的光机结构在机械/热环境的载荷作用下产生的变形准确体现为 光学系统的像质变化是集成分析法技术关键所在。

　　目前通常采用Zernike多项式作为集成分析法中的接口工具,以实现有限元分析软件与光学软件之间有效的数据传输。这是由于镜面的畸变总是趋 于光滑和连续的,而光滑和连续的波面一定可以表示成一个完备基底函数的线性组合或一个线性无关的基底函数系的组合,因此在单位圆内部相互正交的多项式完备 集Zernike多项式,可以精确的描述畸变光学表面,Zernike多项式是理想的结构分析和光学分析之间的接口工具。本文所用集成分析法以 Zernike多项式为基底函数,采用最小二乘法,利用自编数据接口程序进行数据的处理和拟合,将变形后的面形数据转换为光学程序Code V可接受的形式。

　　Code V中使用极坐标形式的Zernike多项式的基底函数系为