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Jason Geis, Jeff Lang, Leslie Peterson, Francisco Roybal, David Thomas g {wDI7"<q The Aerospace Corporation Ot5
$~o 2350 E. El Segundo Blvd co#%~ KqMu El Segundo, CA 90245 s>^* GQw
bc%7-% 引言 @r'8<6hVO
8 z\WyDz 對于復雜產品在協(xié)同設計環(huán)境下可以得到最好的改進，因為在協(xié)同設計環(huán)境下工程數(shù)據(jù)和CAD/CAE的結果可在同一軟件界面下實現(xiàn)跨學科的共享。一種以這種方式對光電探測器(EO)進行改進的新型軟件工具已經用于飛行載荷中的鏡頭組件，以便于進行集成結構、溫度以及光學的分析。文中給出了軟件環(huán)境的描述并總結其產生的技術結果。 vuA';,:~
L Ktr>u 傳統(tǒng)EO傳感器設計過程 dX` _Y
rJ K~kKG 現(xiàn)代電光（EO）傳感器設計與構建需要涉及許多工程學科（機械、結構、熱、光學、電子、軟件）。獨立的設計模擬通常使用CAD/CAE工具并熟悉相應學科材料屬性的每一個工程師來設計完成。設計和分析主要是根據(jù)每個學科要求并行實施的，不同工程學科之間的技術互動有限且很少。設計審查也以連續(xù)方式，由使用展現(xiàn)設計和分析狀態(tài)的PowerPoint幻燈片的工程學科進行。能夠獲取工程結果的人主要限于學科專家，主要局限于教育水平和經驗。 #N wlKZ-
U_Id6J]8 在這種傳統(tǒng)方法中，傳感器設計中跨學科的統(tǒng)一觀點是不可能的，這是一個需要獨立、大部分手動的并且易于出錯的過程。由于這些原因，傳感層設計問題的出現(xiàn)往往發(fā)生在設計過程的后期，通常是在硬件已經建立之后。設計問題的后期出現(xiàn)，它們更加耗時且修復昂貴，已經被認為是在軌故障的增多的主要因素，目前大量的（100％或更多）成本和時間超額已經影響四分之一的民用和安全航空EO傳感器項目[Refs 1-3]。 "C%;9_ig$ G
? H`9*y 協(xié)同EO傳感器設計環(huán)境 v V,H@WK
L3'o2@$ 在過去十年中，已經開發(fā)多款軟件工具，通過工程邊界條件在多種應用上促進更加集成的產品設計方法。適用于EO傳感器協(xié)同設計的模擬驅動工程（SDE）軟件工具由Comet Solutions, Inc.（http://www.cometsolutions.com）開發(fā)。此SDE軟件具有以下有用的屬性（見圖1）： g tJUQu p2
>i-cR4=LL{ 1. 在公共軟件環(huán)境中存儲和查看所有工程數(shù)據(jù)（材料屬性、邊界條件、網格劃分參數(shù)等）和CAD/CAE仿真結果，且無需了解如何使用每個工程學科基本的CAD/CAE工具。 j?#S M! f 2. 通過樹狀形式識別項目數(shù)據(jù)，并可以查看設計歷史記錄以及實現(xiàn)版本控制。 &$|k<{j[<f 3. 從詳細設計中提取重要總結數(shù)據(jù)（質量、圖像質量度量，關鍵參數(shù)值），并顯示在“儀表板”區(qū)域，供工程、系統(tǒng)工程和管理人員查看。 =2#
C {u. 4. 學科工程師開發(fā)復雜的跨學科分析能力，并在仿真過程中重復使用，大大減少了隨著設計的發(fā)展和成熟重復這些分析所需的設計周期。 0O|T\E8 e 5. SDE軟件通過適配器與其他商業(yè)成品（COTS）工程軟件協(xié)同工作，并允許學科工程師使用與他們日常工作相一致的CAD/CAE工具進行詳細工作。同樣可以開發(fā)新的附加應用來擴展開發(fā)環(huán)境，如開發(fā)為這些應用開發(fā)新的配適器使其成為成本和調度工具。 9-I;'
3@_je)s 圖1.SDE軟件界面 "EDn;l-Q
集成結構/熱/光（STOP）分析 mq do@
JmtU>2z\ 來自航天公司的一個小型跨學科工程團隊最近使用SDE軟件環(huán)境對航天飛行載荷的可見通道中的關鍵透鏡組件（L13-16）進行獨立的結構/熱/光（STOP）分析。STOP分析評估了由結構變形和折射率變化引起傳感器焦點和圖像質量的變化，當傳感器的熱環(huán)境在其整個軌道上發(fā)生變化時，天基光學系統(tǒng)中就會產生這些變化。該STOP模型用于驗證儀器廠商正在使用的非常規(guī)聚焦控制方法，以在其預期的熱環(huán)境下保持可見通道的聚焦。在地面有效載荷的最終熱真空（TVAC）測試期間，對六種不同測試條件進行STOP分析。 /&K hk # 圖2所示的STOP仿真過程用于對廠商的聚焦控制方法進行集成STOP評估。STOP最初將儀器幾何體的單個集成CAD模型導入SDE軟件環(huán)境中。然后產生獨立的熱和結構網格。熱網格和材料屬性和熱邊界條件的相關工程數(shù)據(jù)可用Thermal Desktop（http：//www.crtech .com）來計算，一個COTS（商品化的產品和技術）熱設計和分析代碼。然后在Abaqus（http://www.simulia.com）（一種用于結構設計和分析的工業(yè)標準代碼）中評估測量結構和光學部件的熱誘導結構變形。接下來，熱和結構的結果導入到SigFit中（http: //www.sigmadyne.com），利用另一個COTS工具，可以計算光學表面擬合最佳剛體位移和由透鏡元件和透鏡表面形狀變形中的折射率變化（dn/dT）引起的波前誤差的Zernike多項式，。SigFit創(chuàng)建了一個改正的透鏡組件（L13-16）光學規(guī)格，導入到CODE V（http://www.opticalres.com），可以評估光學性能影響。下面給出關于這些步驟中的每一個的更多細節(jié)。 Hi|' esWgYAc3 { 圖2.集成STOP仿真過程 79z(n[^ 集成STOP過程從光學組件開始，將單個集成CAD模型導入機械CAD程序或Pro/E中（http://www.ptc.com）。學科工程師在零件、表面和組件上應用標簽，它們將用于SDE軟件插件進行下游分析。各種屬性通過標簽應用到CAD模型，并且當其或CAD模型本身改變了或被替換掉時重新應用這些屬性。CAD幾何體被標記為用于網格劃分、設置網格化參數(shù)、識別光學表面、將材料屬性和表面處理與零件和表面相關聯(lián)的組零件，如圖3所示。 l0 r Zril `dx+Qp 圖3.標記的CAD模型 [-=PK\ B
k5P&F 圖4.熱和結構分析網格 dt<PZ. 在CAD模型被導入和標記之后，熱和結構工程師為CAD模型中感興趣的部分采用有限元網格（FEM）方法，用于隨后的分析。網格化參數(shù)由每個學科開發(fā)和迭代優(yōu)化，以產生高效而穩(wěn)定的結果，并且這些參數(shù)被捕獲重復用于在SDE軟件環(huán)境中的每個設計進化階段（圖4）。 n@Y`g{{e~
%HpTQ 熱模型由用于系統(tǒng)幾何結構的熱網格以及評估光學系統(tǒng)上的溫度分布所需的所有條件和屬性組成。所有材料的熱和光學性質、加熱器功率水平、邊界條件溫度以及構成熱模型的各種部件之間的電導都可在集成環(huán)境中的工程數(shù)據(jù)模型內進行指定。該數(shù)據(jù)模型是所有工程學科的工程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，可由任何基礎應用共享和重復使用。對于任何給定的感興趣的TVAC測試條件，上述熱模型參數(shù)被傳遞到Thermal Desktop，以計算熱網上的每個節(jié)點處的溫度。Thermal Desktop還用于將這些溫度映射到結構網格中的節(jié)點上。 1B}6 zJ
&S]\)&Yt 類似地，結構模型由系統(tǒng)幾何結構的網格結構以及Thermal Desktop計算溫度場過程中產的所有用于評估結構變形的所有條件和屬性在集成數(shù)據(jù)模型可以指定所有材料的結構特性、邊界條件和關于部件之間的結構接觸的類型和參數(shù)的假設。 這些參數(shù)和結構網格被傳遞給Abaqus，用于計算結構網格中每個節(jié)點的位移。 1ki##v[ W8
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