SiPESC.OPT集成优化设计——光机系统的结构—热—光学性能优化
01
算例背景
光机工程是把机械工程的原理应用到光学系统的设计、制造、装配、测试以及部署中，从而保证它能够在使用环境下满足各种需求。光机工程的挑战在于光学元件的位置、形状以及光学属性需要保持在规定的公差范围内，而这个公差通常是以微米、微弧度甚至波长的几分之一来衡量的。
光机集成分析中需要耦合使用多个学科的仿真工具，包括结构、热和光学，通常被称为结构—热—光学性能分析或者STOP分析。多学科的集成分析优势在于：通过对光学性能进行一个确定性的评价，就能够深入理解结构和热力学跨学科设计之间的关系以及影响。不管是在项目的概念设计阶段还是详细实施阶段，通过综合考虑项目性能、可靠性需求、风险承受度、进度以及预期成本等因素，都能够基于这些高置信度的性能仿真对全局的系统设计进行优化，从而可以进一步明确具体的工程决策。
02
光机系统模型
演示模型介绍
本演示案例模型如下图所示：
如上图所示，一个三点支撑，顶点曲率半径为2540mm，透镜直径为1290mm，厚度为55mm的抛物面透镜受到轴向和圆周上的约束安装，中心处有一直径300mm的开孔，材料为硅硼玻璃。材料性质如下所示：
弹性模量：77.56GPa
泊松比：0.21
密度：2.41g/cm
热膨胀系数：3.3ppm/K
载荷工况：（等温温度变化）在一热弹性负载下，使透镜均匀升温80K
通过优化光机系统主透镜所使用的材料，改进光机系统的成像质量。
优化流程
优化流程如下所示：
设计变量：
TE: 透镜材料热膨胀系数
目标：
优化点列图RMS半径。
GUI/参数化搭建优化过程
1. SiPESC.OPT 使用Python脚本搭建的流程如下所示：
2. SiPESC.OPT 使用GUI搭建的流程如下所示：
计算和优化结果
优化结果如下所示：
迭代次数：22
TE: 0.5ppm/K
RMS: 0.042838
RMS半径优化曲线如下：
优化前透镜表面变形（经过径向修正后）：
优化后透镜表面变形（经过径向修正后）：
优化前光机系统点列图如下所示：
优化后光机系统点列图如下所示：
换用单晶硅材料的透镜后，点列图RMS半径显著下降，光机系统成像质量更高，优化取得明显效果。
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