作者：Jordan Teich | Ansys應用工程師

在航空航天行業中，立方體衛星已成為一種適用于太空光學系統的低成本、易于制造的解決方案。本系列博客介紹了如何使用Ansys Zemax軟件將立方體衛星從最初的光學設計轉變為光機封裝，以便進行結構-熱-光學性能（STOP）分析。

對于光機有效載荷，必須考慮其將在軌道上?受到的?應力和熱影響。?利用Ansys Mechanical，用戶可以?通過有限元分析（FEA）來分析這些影響。?在FEA?階段之前，可使用Mechanical對光機模型進行網格劃分，并為分析定義邊界條件。完成FEA后，Mechanical中的“Export to STAR”擴展提供了一個簡化的流程，用于準備與Ansys OpticStudio STAR模塊一起使用的數據。

如?希望了解整個工作流程，可從本系列博客的第?一部分開始：使用Ansys Zemax開發立方體衛星系統。

準備FEA設計

在本系列博客的第?二部分中，使用OpticsBuilder在PTC Creo中完成了光機設計。接下來，將完成的設計導出為STEP文件。在Mechanical中，打開STEP文件并為FEA做好準備。在本示例中，為設計定義了以下材料?選項：

兩個反射鏡均由低熱膨脹系數（CTE）鋁基板制成（Al-MS40Si）2。

主框架由碳纖維增強聚合物制成。

計量桿由殷瓦合金制成。

假定圖像傳感器由印刷電路板（PCB）層壓材料制成。

材料定義

將材料?選項?賦予模型后，對其進行網格劃分。網格由包含節點（表示幾何結構形狀）的單元組成。對于網格，需要注意的是，兩個鏡面的單元尺寸已進行調整，使每個鏡面至少包含10,000個節點。將FEA數據?導入OpticStudio STAR模塊以供將來分析?時，大量節點可確保良好的擬合?精度。下圖顯示了用于光機模型的最終網格。

在Ansys Mechanical中定義的網格

定義邊界條件

在本示例中，考慮的唯一載荷是熱條件，該條件?會使所有組件根據其熱膨脹系數（CTE）進行膨脹。假定立方體衛星的輻射控制系統將使光學元件免受溫度大幅波動的影響。選擇12°C、15°C和18°C的離散溫度來代表立方體衛星在近地軌道（LEO）上的工作溫度范圍。

OpticStudio中的標稱設計假定是在21°C的室溫環境中構建的，這是定義幾何結構時的參考溫度。

Mechanical中實施的溫度如下所示：

FEA結果

在對光機械模型進行網格劃分并確定熱載荷后，在Mechanical中進行FEA。下圖展示了最低工作溫度（12°C）下的結構變形影響。

結構變形結果

由于此有效載荷由兩個反射鏡組成，因此只求解了結構變形數據。如果將任何折射組件集成到系統中，則有必要求解整個光學系統的?受熱引起的折射率變化。結構變形數據和?折射率數據都可以導出到OpticStudio STAR模塊，用于分析它們對系統級性能的影響。

完成FEA后，下一步是將兩個反射鏡的結構變形數據導入OpticStudio STAR模塊。?利用Mechanical Export to STAR ACT擴展，?就可以輕松地將結構變形數據導出為STAR使用的文本文件格式。如?希望了解有關此擴展的更多信息，請閱讀Ansys Zemax網站知識庫?的文章。

文章來源：本文轉載于Ansys公眾號

審核編輯：湯梓紅