基于ANSYS的红外镜筒壁厚优化设计

摘要：红外镜头往往很容易受到温度变化的影响。在红外镜头中，所有光学元件都是以镜筒为依托，镜筒的设计很大程度上决定了镜头的结构设计，并直接影响其光学性能。本文以某款红外镜头为例，运用ANSYS有限元软件的优化模块，对镜筒进行了仿真优化，通过多次迭代选出了最优解。然后通过光机热集成分析方法，运用泽尼克多项式对处理后的面形数据拟合，导入光学软件ZEMAX中进行光学性能分析，并与优化前的模型进行对比，分析结果表明，镜筒壁厚在一定程度上影响了红外镜头的光学性能，优化镜筒壁厚可以减小镜片在热环境中的面形畸变，使红外镜头的光学性能得到提高。

Abstract： Infrared lens is susceptible to temperature changes. In the infrared lens， all optical elements are based on the tube and the tube design largely determines the structure design of lens， also directly affect the optical properties. In this paper， we took an infrared lens as an example， used the optimization module of ANSYS finite element software， and carried out the simulation and optimization of the tube， and then chose the optimal solution by multi-iteration. After that， through the structure-thermal-optical performance integrated analysis （STOP）， using Zernike polynomials， we fit the processed surface data and analyzed the optical performance. Through the introduction of optical software ZEMAX， also， it is compared with the model before optimization. Analysis results showed： to some extent， the tube wall thickness influenced the optical performance of infrared lens. Optimization of tube wall thickness could reduce the surface distortion of lens in thermal environment， and then the optical performance of infrared lens could be improved.

P键词：红外镜头；光机热集成；结构优化；热光学特性

Key words： infrared lens；structure-thermal-optical performance；structural optimization；thermal optical properties

中图分类号：TN214 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0085-04

0 引言

在红外镜头中，所有光学元件都是以镜筒为依托，镜筒的设计很大程度上决定了镜头的结构设计，并直接影响其光学性能。高刚度、轻量化以及较好的热适应性一直都是红外镜头结构设计的重点，其落足点在于镜筒的结构设计[1]。在实际进行红外镜头结构设计时，结构设计师一般依据设计经验来确定镜筒结构的外形与尺寸，镜筒壁厚设计往往存在较大冗余，这样虽然可以让红外镜头具有较大的强度和刚度，但也导致了镜头质量增加，结构笨重，不方便作业。况且随着镜筒的壁厚增加，会降低红外镜头的热环境的适应性，使镜筒对透镜的变形与应力的缓冲能力减小，最终加重镜面的面形变化[2]。

通过对红外镜头进行光机热集成分析，可以量化镜片折射率、透镜面形和透镜间距三种因素变化对红外系统像质的影响[3-4]。为了使镜筒既满足红外镜头的使用要求，同时又满足轻量化的设计要求，本文利用有限元软件ANSYS的优化设计模块，对镜筒进行改进，然后对改进后的镜头模型进行分析并评价其光学性能，与原始镜头进行了对比。

1 对镜筒进行ANSYS有限元优化

1.1 ANSYS优化设计模块简介

优化设计是一种借助计算机和最优化数值计算方法，以数学中的最优化理论为基础，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案[5]。通过对产品进行优化设计，可以提高设计技术指标，使其结构更加合理。优化设计的对象可以很多，比如结构关键部位的尺寸（如厚度、长度）、形状（如过渡处倒圆角的大小）、支撑位置（加强筋）等。

ANSYS有专门的优化设计模块，通过参数化建模，可以设定设计优化目标[6]。在运用ANSYS优化之前，先简单介绍优化过程中所涉及的一些基本概念：

设计变量（DV）：在进行优化设计中所需调整与优选的参数，如结构尺寸等。

状态变量（SV）：随DV的变化而变化，并且对DV的取值起限制作用的变量，如应力、位移等。

目标函数（OBJ）：是DV的函数，是评价设计方案优劣的标准，对DV的取值范围与SV的空间范围起限制作用。

优化的目的是在可行域内搜寻使目标函数取最大值或最小值时的设计变量。

ANSYS软件的优化设计过程如图1所示。

1.2 镜筒结构的优化设计变量和目标函数的选取

在红外镜头中，镜筒是主体结构，它对光学元件起到支撑保护的作用，对整个光机系统影响最大，故本文选择镜筒作为优化对象。由于初始镜筒是由结构工程师设计，其本身已经考虑到了加工和装配等工艺因素，具备了一定的合理性，因此在初始镜筒的基础上进行优化将会使其结构更加合理和更有针对性。镜筒是回转体结构，壁厚作为一个关键尺寸对整个镜头的质量和刚度影响最大，所以选用壁厚作为设计变量，以镜筒轻量化（质量最轻或体积最小）为目标函数进行优化。ANSYS的优化设计是基于参数化建模，由于镜头外部的零件（电机座、限位块等）对透镜的变形影响较小，并且增加了有限元建模计算的难度和时间，所以在进行结构优化时，对镜筒进行相关简化如图7所示。在计算出最佳参数后，再重新建立完整模型，对其进行光机热分析。

在图2所示的四个尺寸中，由于镜筒后端最终通过螺钉与探测器接口相连，所以需要在镜筒壁上钻螺纹孔，根据加工工艺及强度的要求，需要在镜筒后端面均布4个M2的螺钉孔，故壁厚④的尺寸不能过小，选取壁厚④尺寸为3mm，于是仅对其它三处壁厚进行优化。式（1）、（2）为镜筒优化的数学模型。

2 镜头光机热分析优化前后性能对比

2.1 优化后红外镜头的热应力分析

利用上述得到的镜筒相关参数重新建立完整的红外镜头3D模型，并对其进行热应力分析，由于参考温度设置为20℃，临界温度-40℃与参考温度20℃的温差最大，所以选用-40℃作为分析温度。计算红外镜头在-40℃情况下的变形情况。图5为镜头在-40℃作用下的整移云图，图6为镜头光学系统的位移云图，图7和图8分别为第一透镜沿光轴方向的位移云图和等效位移云图。红外镜头优化前后的各项结果对比如表2所示。

结合图8与表2可以看出，优化后的红外镜头与原始模型相比具有更好的热环境适应性。当在-40℃临界温度下，优化后的镜头内所有镜片受到的热应力均减小，透镜的变形也减小。最终优化后模型的质量与原始模型相比减小了17.5%。

2.2 优化前后红外镜头的面形分析

在红外镜头的热应力分析基础上，为了准确的分析镜头优化后透镜的面形质量，将所有透镜的镜面节点位移数据提取出来，通过齐次坐标变换方法去除刚移[7]，计算得到各面的面形质量与原始模型的面形质量比较情况如表3、表4所示。

从表3、表4中可以看出，镜筒经过优化后，透镜1和透镜2所有表面的PV（峰谷）值、RMS（均方根）值均小于原始模型，这与之前的红外镜头的热应力分析结果相符；透镜3由于安装在调焦镜筒上，并未与镜筒直接相连，所以镜筒优化后对透镜3的影响较小。

2.3 优化后红外镜头的光学性能

为了评价优化后镜头的光学性能，需要对分析后的面形数据进行Zernike多项式拟合，并求出Zernike系数，最后将表征镜面面形畸变的Zernike多项式、透镜间距的变化以及透镜的折射率输入到光学软件ZEMAX中，观测系统热变形后的光学性能。由于热变形后，机械结构对镜面面形的影响最为严重，为了使光学分析更具针对性，仅列出了优化后镜面的面形畸变对系统的光学传递函数和点列图的影响，见图9、图10。优化前后的模型的光学传递函数值、系统点列图的RMS RADIUS值与GEO RADIUS值比较情况如表5所示。

根据图9、图10与表5分析可知，镜筒优化后，系统的光学传递函数值比原始模型提高，点列图中的RMS半径值与GEO半径值均减小，表明系统的光学性能得到了一定的提高。

3 结论

本文以某款红外镜头为例，运用ansys有限元软件的优化模块，对镜筒进行了仿真优化，经过多次迭代选出了最优解。通过光机热集成分析方法，结果表明，镜筒壁厚在一定程度上影响了红外镜头的光学性能，优化镜筒结构能够减小镜片在热环境中受到的热应力，减少透镜的面形畸变，从而降低机械结构对整个镜头光学性能的影响，使红外镜头的整体性能得到提高。

参考文献：

[1]李荣刚，刘琳，张兴德，等.中波红外无热化镜头的设计与制造[J]. 激光与红外，2010，40（6）：653-655.

[2]姬文晨，张宇，黄攀，等.红外镜头的热光学特性分析[J].激光与红外，2015，45（12）： 1477-1481.

[3]Keith B.Doyle， Victor L.Genberg， Gregory J.Michles. Integrated Optomechanical Analysis[M]. The International Society for Optical Engineering，Bellingham.

[4]w源，张殿富，王洪伟.某空间望远镜光机热集成分析[J]. 激光与红外，2012，42（4）：404-407.

[5]刘志强，王明强.应用拓扑优化理论进行结构概念设计[J].机械与电子，2010，（10）：27-29.

[6]施二铁，杨国锋.ANSYS在结构设计中的应用[J].机械与电子，2012（01）：37-41.

[7]张颖，丁振敏，赵慧洁，邹百英.光机热集成分析中镜面刚移分离[J].红外与激光工程，2012，41（10）：2763-2767.