1、1Sigfit 文档美国 Sigmadyne 公司在光机热耦合仿真分析领域有几十年的经验，向客户提供光机热集成分析方案和专家级咨询服务。Sigfit 软件由 Sigmadyne 公司开发，它是一款光机热耦合分析工具。Sigfit 能够直接将有限元分析工具（MSC Nastran、Ansys 和 Abaqus）与光学分析工具（CodeV、Zemax 和OSLO）集成，并可以通过有限元分析工具和热分析工具的接口能力将Radtherm、 MSC Sinda 和 Thermica 等辐射与热分析工具集成到一起，从而实现热、机、光的完美耦合；可以将有限元分析得到的光学面形等结果文件通过泽尼克多项式拟合或
2、者插值转化为光学工具的输入文件，并可实现主动控制的促动器布局优化、动态响应分析、光程差分析及应力双折射效应、设计优化等。该工具在光学系统设计、光存储、激光打印、激光通信和灯具设计等领域得到广泛应用。1、基本功能模块高性能的光学系统必须通过集成的光机热耦合分析预测其性能，这就需要把有限元分析的结果精确地传递给光学分析工具。常用有限元工具（如Abaqus、Nastran、Ansys）的分析结果（温度、变形和应力）往往直接与节点关联，其结果文件不能直接用于光学分析，而需要经过一系列变换：单位转换、定义顶点坐标系、光学面形的多项式拟合、将有限元网格插值为点阵图等。为此，Sigfit 提供了满足高性能光
3、学系统分析要求的光-机-热耦合分析方案，如图一所示。2图一 多项式拟合：可以将多种输入格式的数据拟合为多项式格式。可选的多项式类型包括标准和边缘 Zernike 多项式、非球面多项式、X-Y 多项式、最佳曲率半径拟合等。拟合的同时计算出 P-V 值、RMS 值等。 多种输入格式：光学面形可以用单元结果、节点文件、干涉向量或多项式系数等格式输入，也支持 Nastran、Ansys 、Abaqus 和 Cosmos 等有限元软件的文件格式输入。 多种输出格式：面形、应力和温度场数据可以输出为列表的形式供查看或打印，也可输出为节点文件供绘制二维图，还可以输出为光学分析工具CodeV、Zemax 和
4、Oslo 可识别的文件格式。供光学分析工具使用的文件包含了刚体位移文件和弹性变形文件。其中光学表面的弹性变形可以用 Zernike 系数或数组描述。所有的输出文件都是 ASCII 文件，可以在各种操作系统下使用。 表面位移插值：Sigfit 的输入和输出文件都可插值处理。Sigfit 可以将单元结果插值为点阵图或者另一种网格结果。插值后的数值往往用于对比仿真预测的结果与光学实验结果；也可用于描述用 Zernike 多项式无法准确描述的单元变形，如轻型反射镜上的变形。插值为一种新的网格则往往用于应用光学测试数3据或将分析区域限制在仅仅有射线束的光学表面区域。Sigfit 也可以读入用户的光学表面
5、变形量数组，在导入测试数据用于拟合 Zernike 多项式或者评估自适应控制效果时就会用到这种方式。2、高级应用模块Sigfit 除了上述基本功能，还可以进行光学系统支撑优化设计等，具体包括： 主动控制仿真：预测主动控制光学器件的最佳修正面形。其输入除了多项式拟合的面形文件外，还需要激励源的影响数据。激励源的影响数据包含多组数据，每组分别描述了一个激励源的影响效果。考虑激励源的修正曲面预测结果可以输出为多项式形式、插值为点阵图或者在后处理中查看云图效果。Sigfit 还可以根据一定约束自动优化、计算施加激励源的位置，并分析光学表面 RMS值随激励源数目的变化关系，为设计激励源提供参考。 动态响
6、应：计算光学面形由于瞬态、谐波和随机载荷引起的刚体位移、曲率变化和 RMS 误差、传递函数及各阶模态对曲面 RMS 的影响等。 设计优化（仅 MSC Nastran）：Sigift 结合 MSC Nastran 的优化功能，将面形的 Zernike 系数、RMS 值和 P-V 值等作为优化目标进行光学系统结构优化设计。 光程差分析：应力和温度梯度均会引起折射率变化，SigFit 可以基于有限元的应力和温度结果分析光程差、应力双折射等。4 系统分析：进行光学系统敏感性分析，不是仅仅分析单个镜面，而是分析如何使整个光学系统的 RMS 最小。应用&案例 光学系统优化设计解决方案对于一个采用主动控制的
7、轨道望远镜系统，主镜为由三角形芯板单元和前后面板组成的大型轻型镜面（如图），要基于光学性能指标（如面形 RMS）优化几何设计。设计变量：前后面板厚度、芯板厚度。优化目标：主镜重量最轻,同时满足固有频率、发射应力等要求。利用 MSC Nastran 的优化功能，结合 Sigift，为此类光学系统优化设计问题提供了强有力的解决手段。 集成光机热耦合仿真Sigfit 可以将有限元分析模型的应力和温度结果转换为光学分析所需的平均光程差、双折射等数据。首先通过有限元仿真分析得到光学穿过镜头的过程中的变形、温度和应力，再通过 Sigfit 将每个透镜的各光学面形通过刚体位移和泽尼克多项式拟合等方式输出，同
8、时温度变化和应力引起的光学效应也通过泽尼克多项式拟合输出为光程差 Map 图，最后光学分析工具以这些 Sigfit 的输出文件为输入，分析得到光学调制传递函数等结果。双高斯透镜镜头模型 刚体位移与变形结果5透镜的温度分布 透镜的主应力分布光学分析的调制传递函数 主动控制仿真Sigfit 根据主动控制支撑力的数据，集成有限元仿真分析，预测分析光学设备的最小变形效果。光学系统性能提升环境因素降低光学性能6当光学系统被暴露于非理想环境时 其光学性能降低。举例来说，当遭受到由激光引起的热效应时，一个设计用来产生计高质量图像的透镜系统可能低质量的图像。光束中的能量被每个透镜吸收，引起温度梯度变化进而引起
9、镜面变形。第二个影响是温度梯度变化导致折射角、这些变化取决于温度与光学材料属性变化的关系。第三个影响，影响程度稍低的是，温度梯度产生应力，进而改变折射方向。这些因素的综合效应引起成像质量下降。当照相机的光圈数是确定的话，影响光学的表现的另外的一个通常的环境因素是振动。任何在稳定状况下产生高质量影像的照相机都会因为支撑物体的振动而产生低质量的照片。手握式照相机的振动源是人手的不稳定握持。一个高质量成像系统的可能的振动源:冷却系统、海拔控制系统、飞机振动和周围可能的振动源。一个好的设计团队必须能够预先考虑光学系统所处环境的影像，并且优化光学系统减轻受环境的影响程度。MDNastran 能准确的预测
10、光学系统的机械性能 SigFit 软件一个将 MDNastran 软件的计算结果转化为光学性能参数的光学分析软件。光学-结构一体化分析集成的光学，结构分析同时考虑有限元分析中热分析、结构分析与光学分析耦合。以透镜分析为例 首先在 MD Nastran 中计算光学系统的温度梯度分布，后将结果导入 SigFit 计算对光学系统的影响。这些温度变化引起透镜表面变形和光学系统应力变化可以在 MD Nastran 利用热固耦合分析，计算后的变形和应力被到导入 SigFit 软件。利用这些输入数据，SigFit 能够预测温度梯度变化在光学系统中的综合影响。SigFit 可以处理将有限元结果转换为光学系统中
11、的问题。例如坐标系变换、单位转换和面排序等。SigFit 最常用的生成的结果文件有刚体位移、光学系统多项式系数，这些参数与其他光学分析软件的转换量级、归一化、格式相一致。望远镜性能的提升耦合 SigFit 和 MDNastran 的优化能力被证明是集成分析方法中最有价值的部分。在这个案例中，一个可调节、质量最轻的主镜在满足光学性能的前提下，优化其最佳几何外形。设计变量是透镜前、后面板厚度和透镜核心在 8 个分割区域的厚度。允许透镜厚度增加至执行机构附件以提高性能。设计目标是7在满足自振频率和发射时应力的约束下，透镜质量最小。光学性能的约束有在1G 载荷作用下镜面的 RMS 值，面 RMS 约束
12、是可适应的近似面。这个需要在 MD Nastran SOL 200 中通过 DRESP3 调用 SigFit 计算得到。从表格中的结果可以看出MD Nastran 在保证光学和结构性能的前提下，通过 2 个因素减少结构质量。其他 SigFit能力SigFit 有其他能力能够和 MDNastran 更加紧密的耦合。SigFit 能将光学系统简化为线性方程，以 MPC 的格式导入 MDNastran 该方程组使用有限元模型的节点号和坐标系SigFit 会将光学表面转换为多项式拟合系数 并以 MPC 格式导入 MD Nastran这些系数被用来精确的计算热或者机械载荷总结MDNastran 和 SigFit 结合产生改进光学系统性能的一个强有力的工具。
