利用 Ansys 解决方案实现自动化 STOP 分析

2021年12月20日

利用 Ansys 解决方案实现自动化 STOP 分析

Category: Product News

在许多应用中，应力和热负荷会大大影响光学系统的性能。虽然结构热光学性能（STOP）分析在传统上被认为是航空航天、国防和激光制造等精密应用设计过程的重要组成部分，但在这些传统市场之外的各种应用中，结构和热扰动的影响正变得越来越重要，从医疗成像到混合现实，从汽车显示器到无人驾驶汽车传感器。随着光学元件尺寸的不断缩小，用于制造这些元件的方法（如塑料成型和3D打印）会给光学元件增加额外的应力，作为产品设计过程的一部分，进一步需要进行详细的STOP分析。

然而，进行稳健而准确的STOP分析既具有挑战性，也很耗时。这种分析通常需要在用于设计光学元件的软件工具和用于进行有限元分析（FEA）的工具之间进行多次反复，以计算热和应力载荷对这些光学元件的影响。在这些工具之间传输结果需要数据转换和数据翻译；数据转换使光学软件能够解释有限元分析的结果（反之亦然），数据翻译使这些结果在光学和有限元分析软件中使用的不同坐标系之间保持一致。当结果被手动传输时，这些数据转换和数据翻译很容易出错。因此，设计团队需要付出巨大的努力来验证和核实设计过程中的每一个迭代步骤的结果。尽管为制造而设计一个光学系统可能需要许多星期，但完整的STOP分析可能需要许多个月甚至更长时间。

Zemax在 2021 年推出OpticStudio STAR模块¹，以简化有限元分析工具与OpticStudio之间的通信。STAR允许来自任何有限元分析软件包的数据被转换和翻译成可直接用于OpticStudio的格式。STAR还提供了一套关键的验证和核实工具，使设计团队能够随时评估有限元分析软件计算的结构和热数据是否准确地体现在光学模型中。STAR所需的数据是通过文本文件提供的，可以从有限元分析软件包中手动导出，但也可以使用Ansys定制工具包（ACT)²和Ansys参数化设计语言（APDL)³创建脚本，从Ansys Mechanical⁴自动导出数据。然后，这些脚本可与OpticStudio API（ZOS-API）⁵结合使用，在Ansys Mechanical、STAR和OpticStudio之间创建一个完全自动化的工作流程，对单一设计进行全面的STOP分析。

这种完全自动化的工作流程的一个重要好处是能够模拟多个设计进行变量分析和优化。在2021年⁶月举行的Ansys WOST会议上，展示了这种分析的概念验证（PoC）^6-7。在这个PoC中，工作流程是使用Ansys optiSLang8驱动的，这是一个独立的软件工具，用于进行工程系统的变量分析和设计优化。OpticStudio和optiSLang之间的用于研究各种光学参数对成像和非成像设计的系统性能的影响的连接已经到位⁹。最近的PoC将这种连接扩展到了STAR和Ansys Mechanical，使光学系统的性能在结构和热负荷的情况下得到自动分析和优化¹⁰。这种自动化还提供了研究设计在不同时间所表现的性能的机会，因为它允许将有限元分析的不同时间段的结果以编程方式导入OpticStudio进行动态表征。这对于无人驾驶车辆摄像传感器等应用至关重要，因为在这些应用中，结构和热负荷会随着车辆的移动和经历不同的环境条件而变化。

长期以来，STOP分析一直被限制在特定应用的专业领域。但是，随着结构和热负荷影响越来越多的光学系统的性能，STOP分析成为设计过程中的一个组成部分是至关重要的。现在，利用OpticStudio STAR模块以及Ansys optiSLang提供的工作流程自动化，就可以实现这一目标。其结果将是下一代的光学产品比以往任何时候都更加稳定、准确和可靠！

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作者：

Sanjay Gangadhara

Chief Technology Officer
Zemax An Ansys Company

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2021年12月20日

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