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电光传感器的协同设计和分析

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电光传感器的协同设计和分析(1)
时间:2017-06-20 21:04来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
Jason Geis, Jeff Lang, Leslie Peterson, Francisco Roybal, David Thomas
The Aerospace Corporation
2350 E. El Segundo Blvd
El Segundo, CA 90245
 
引言
 
对于复杂产品在协同设计环境下可以得到最好的改进,因为在协同设计环境下工程数据和CAD/CAE的结果可在同一软件界面下实现跨学科的共享。一种以这种方式对光电探测器(EO)进行改进的新型软件工具已经用于飞行载荷中的镜头组件,以便于进行集成结构、温度以及光学的分析。文中给出了软件环境的描述并总结其产生的技术结果。
 
传统EO传感器设计过程
 
现代电光(EO)传感器设计与构建需要涉及许多工程学科(机械、结构、热、光学、电子、软件)。独立的设计模拟通常使用CAD/CAE工具并熟悉相应学科材料属性的每一个工程师来设计完成。设计和分析主要是根据每个学科要求并行实施的,不同工程学科之间的技术互动有限且很少。设计审查也以连续方式,由使用展现设计和分析状态的PowerPoint幻灯片的工程学科进行。能够获取工程结果的人主要限于学科专家,主要局限于教育水平和经验。
 
在这种传统方法中,传感器设计中跨学科的统一观点是不可能的,这是一个需要独立、大部分手动的并且易于出错的过程。由于这些原因,传感层设计问题的出现往往发生在设计过程的后期,通常是在硬件已经建立之后。设计问题的后期出现,它们更加耗时且修复昂贵,已经被认为是在轨故障的增多的主要因素,目前大量的(100%或更多)成本和时间超额已经影响四分之一的民用和安全航空EO传感器项目[Refs 1-3]。
 
协同EO传感器设计环境
 
在过去十年中,已经开发多款软件工具,通过工程边界条件在多种应用上促进更加集成的产品设计方法。适用于EO传感器协同设计的模拟驱动工程(SDE)软件工具由Comet Solutions, Inc.(http://www.cometsolutions.com)开发。此SDE软件具有以下有用的属性(见图1):
 
1. 在公共软件环境中存储和查看所有工程数据(材料属性、边界条件、网格划分参数等)和CAD/CAE仿真结果,且无需了解如何使用每个工程学科基本的CAD/CAE工具。
2. 通过树状形式识别项目数据,并可以查看设计历史记录以及实现版本控制。
3. 从详细设计中提取重要总结数据(质量、图像质量度量,关键参数值),并显示在“仪表板”区域,供工程、系统工程和管理人员查看。
4. 学科工程师开发复杂的跨学科分析能力,并在仿真过程中重复使用,大大减少了随着设计的发展和成熟重复这些分析所需的设计周期。
5.  SDE软件通过适配器与其他商业成品(COTS)工程软件协同工作,并允许学科工程师使用与他们日常工作相一致的CAD/CAE工具进行详细工作。同样可以开发新的附加应用来扩展开发环境,如开发为这些应用开发新的配适器使其成为成本和调度工具。
 
图1.SDE软件界面
 
集成结构/热/光(STOP)分析
 
来自航天公司的一个小型跨学科工程团队最近使用SDE软件环境对航天飞行载荷的可见通道中的关键透镜组件(L13-16)进行独立的结构/热/光(STOP)分析。STOP分析评估了由结构变形和折射率变化引起传感器焦点和图像质量的变化,当传感器的热环境在其整个轨道上发生变化时,天基光学系统中就会产生这些变化。该STOP模型用于验证仪器厂商正在使用的非常规聚焦控制方法,以在其预期的热环境下保持可见通道的聚焦。在地面有效载荷的最终热真空(TVAC)测试期间,对六种不同测试条件进行STOP分析。
图2所示的STOP仿真过程用于对厂商的聚焦控制方法进行集成STOP评估。STOP最初将仪器几何体的单个集成CAD模型导入SDE软件环境中。然后产生独立的热和结构网格。热网格和材料属性和热边界条件的相关工程数据可用Thermal Desktop(http://www.crtech .com)来计算,一个COTS(商品化的产品和技术)热设计和分析代码。然后在Abaqus(http://www.simulia.com)(一种用于结构设计和分析的工业标准代码)中评估测量结构和光学部件的热诱导结构变形。接下来,热和结构的结果导入到SigFit中(http: //www.sigmadyne.com),利用另一个COTS工具,可以计算光学表面拟合最佳刚体位移和由透镜元件和透镜表面形状变形中的折射率变化(dn/dT)引起的波前误差的Zernike多项式,。SigFit创建了一个改正的透镜组件(L13-16)光学规格,导入到CODE V(http://www.opticalres.com),可以评估光学性能影响。下面给出关于这些步骤中的每一个的更多细节。
 
图2.集成STOP仿真过程
 
集成STOP过程从光学组件开始,将单个集成CAD模型导入机械CAD程序或Pro/E中(http://www.ptc.com)。学科工程师在零件、表面和组件上应用标签,它们将用于SDE软件插件进行下游分析。各种属性通过标签应用到CAD模型,并且当其或CAD模型本身改变了或被替换掉时重新应用这些属性。CAD几何体被标记为用于网格划分、设置网格化参数、识别光学表面、将材料属性和表面处理与零件和表面相关联的组零件,如图3所示。
 
图3.标记的CAD模型
 
 
图4.热和结构分析网格
 
在CAD模型被导入和标记之后,热和结构工程师为CAD模型中感兴趣的部分采用有限元网格(FEM)方法,用于随后的分析。网格化参数由每个学科开发和迭代优化,以产生高效而稳定的结果,并且这些参数被捕获重复用于在SDE软件环境中的每个设计进化阶段(图4)。
 
热模型由用于系统几何结构的热网格以及评估光学系统上的温度分布所需的所有条件和属性组成。所有材料的热和光学性质、加热器功率水平、边界条件温度以及构成热模型的各种部件之间的电导都可在集成环境中的工程数据模型内进行指定。该数据模型是所有工程学科的工程数据的数据库,可由任何基础应用共享和重复使用。对于任何给定的感兴趣的TVAC测试条件,上述热模型参数被传递到Thermal Desktop,以计算热网上的每个节点处的温度。Thermal Desktop还用于将这些温度映射到结构网格中的节点上。
 
类似地,结构模型由系统几何结构的网格结构以及Thermal Desktop计算温度场过程中产的所有用于评估结构变形的所有条件和属性在集成数据模型可以指定所有材料的结构特性、边界条件和关于部件之间的结构接触的类型和参数的假设。 这些参数和结构网格被传递给Abaqus,用于计算结构网格中每个节点的位移。
 
使用为此目的开发的SDE软件适配器,将结构网格上的节点处的温度和位移传递给一对SigFit任务。SigFit任务之一是计算每个透镜表面的最佳拟合刚体位移和尖/倾角以及表示孔径相关透镜表面变形(包括曲率变化)的一组Zernike多项式。另一个任务是为每个透镜组件计算单组Zernike多项式,表示由透镜内的热致折射率变化引入的孔径相关波前误差。SigFit使用此信息生成修正的透镜设计序列文件,并通过SDE软件适配器接口传递到CODE V,用于随后光学性能影响分析。为了进行STOP分析,将热失真的L13-16 CODE V规格代入标准的整体望远镜规格中,以仅查看由L13-16透镜子组件效应(图5)在可见光通道下图像质量和聚焦的变化。
 
图5.光学设计模型
 
集成STOP热模型的验证
 
为我们的集成STOP分析开发的热模型使用来自仪器厂商构建的特殊测试数据进行验证。在该测试中,工程模型L13-16透镜组件装配有额外的热电偶,并且在42英寸直径的热真空室内部的三个不锈钢支座安装时进行热浸和热瞬态

......

未完待续
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