Jason Geis, Jeff Lang, Leslie Peterson, Francisco Roybal, David Thomas *@CVYJ'< The Aerospace Corporation xT:qe 2350 E. El Segundo Blvd WfRVv3Vm El Segundo, CA 90245 u.$Ym
cZ6?P `X 引言 K/!/M%GB6
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i 對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品在協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下可以得到最好的改進(jìn)，因?yàn)樵趨f(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下工程數(shù)據(jù)和CAD/CAE的結(jié)果可在同一軟件界面下實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的共享。一種以這種方式對(duì)光電探測(cè)器(EO)進(jìn)行改進(jìn)的新型軟件工具已經(jīng)用于飛行載荷中的鏡頭組件，以便于進(jìn)行集成結(jié)構(gòu)、溫度以及光學(xué)的分析。文中給出了軟件環(huán)境的描述并總結(jié)其產(chǎn)生的技術(shù)結(jié)果。 $[)6H7!U)
lQ+Ru8I 傳統(tǒng)EO傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程 43 +EX.c
joxS+P5# 現(xiàn)代電光（EO）傳感器設(shè)計(jì)與構(gòu)建需要涉及許多工程學(xué)科（機(jī)械、結(jié)構(gòu)、熱、光學(xué)、電子、軟件）。獨(dú)立的設(shè)計(jì)模擬通常使用CAD/CAE工具并熟悉相應(yīng)學(xué)科材料屬性的每一個(gè)工程師來(lái)設(shè)計(jì)完成。設(shè)計(jì)和分析主要是根據(jù)每個(gè)學(xué)科要求并行實(shí)施的，不同工程學(xué)科之間的技術(shù)互動(dòng)有限且很少。設(shè)計(jì)審查也以連續(xù)方式，由使用展現(xiàn)設(shè)計(jì)和分析狀態(tài)的PowerPoint幻燈片的工程學(xué)科進(jìn)行。能夠獲取工程結(jié)果的人主要限于學(xué)科專家，主要局限于教育水平和經(jīng)驗(yàn)。 2r
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Dq{: R 在這種傳統(tǒng)方法中，傳感器設(shè)計(jì)中跨學(xué)科的統(tǒng)一觀點(diǎn)是不可能的，這是一個(gè)需要獨(dú)立、大部分手動(dòng)的并且易于出錯(cuò)的過(guò)程。由于這些原因，傳感層設(shè)計(jì)問(wèn)題的出現(xiàn)往往發(fā)生在設(shè)計(jì)過(guò)程的后期，通常是在硬件已經(jīng)建立之后。設(shè)計(jì)問(wèn)題的后期出現(xiàn)，它們更加耗時(shí)且修復(fù)昂貴，已經(jīng)被認(rèn)為是在軌故障的增多的主要因素，目前大量的（100％或更多）成本和時(shí)間超額已經(jīng)影響四分之一的民用和安全航空EO傳感器項(xiàng)目[Refs 1-3]。 (}9cD^F0n +G<}JJ'V 協(xié)同EO傳感器設(shè)計(jì)環(huán)境 ;+TMx(
Cw6>^ 在過(guò)去十年中，已經(jīng)開發(fā)多款軟件工具，通過(guò)工程邊界條件在多種應(yīng)用上促進(jìn)更加集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。適用于EO傳感器協(xié)同設(shè)計(jì)的模擬驅(qū)動(dòng)工程（SDE）軟件工具由Comet Solutions, Inc.（http://www.cometsolutions.com）開發(fā)。此SDE軟件具有以下有用的屬性（見(jiàn)圖1）： -FQC9~rR;g
Q1aHIc
1. 在公共軟件環(huán)境中存儲(chǔ)和查看所有工程數(shù)據(jù)（材料屬性、邊界條件、網(wǎng)格劃分參數(shù)等）和CAD/CAE仿真結(jié)果，且無(wú)需了解如何使用每個(gè)工程學(xué)科基本的CAD/CAE工具。 W,xi> 5k 2. 通過(guò)樹狀形式識(shí)別項(xiàng)目數(shù)據(jù)，并可以查看設(shè)計(jì)歷史記錄以及實(shí)現(xiàn)版本控制。 ,.~
W 3. 從詳細(xì)設(shè)計(jì)中提取重要總結(jié)數(shù)據(jù)（質(zhì)量、圖像質(zhì)量度量，關(guān)鍵參數(shù)值），并顯示在“儀表板”區(qū)域，供工程、系統(tǒng)工程和管理人員查看。 gmXy>{T 4. 學(xué)科工程師開發(fā)復(fù)雜的跨學(xué)科分析能力，并在仿真過(guò)程中重復(fù)使用，大大減少了隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展和成熟重復(fù)這些分析所需的設(shè)計(jì)周期。 np<f, 5. SDE軟件通過(guò)適配器與其他商業(yè)成品（COTS）工程軟件協(xié)同工作，并允許學(xué)科工程師使用與他們?nèi)粘９ぷ飨嘁恢碌腃AD/CAE工具進(jìn)行詳細(xì)工作。同樣可以開發(fā)新的附加應(yīng)用來(lái)擴(kuò)展開發(fā)環(huán)境，如開發(fā)為這些應(yīng)用開發(fā)新的配適器使其成為成本和調(diào)度工具。 OD{5m(JwL
3ye K@ >C 圖1.SDE軟件界面 kJHr&=VO~
集成結(jié)構(gòu)/熱/光（STOP）分析 {CW1t5$*
,Y`'myL8W 來(lái)自航天公司的一個(gè)小型跨學(xué)科工程團(tuán)隊(duì)最近使用SDE軟件環(huán)境對(duì)航天飛行載荷的可見(jiàn)通道中的關(guān)鍵透鏡組件（L13-16）進(jìn)行獨(dú)立的結(jié)構(gòu)/熱/光（STOP）分析。STOP分析評(píng)估了由結(jié)構(gòu)變形和折射率變化引起傳感器焦點(diǎn)和圖像質(zhì)量的變化，當(dāng)傳感器的熱環(huán)境在其整個(gè)軌道上發(fā)生變化時(shí)，天基光學(xué)系統(tǒng)中就會(huì)產(chǎn)生這些變化。該STOP模型用于驗(yàn)證儀器廠商正在使用的非常規(guī)聚焦控制方法，以在其預(yù)期的熱環(huán)境下保持可見(jiàn)通道的聚焦。在地面有效載荷的最終熱真空（TVAC）測(cè)試期間，對(duì)六種不同測(cè)試條件進(jìn)行STOP分析。 hfJrQhmE 圖2所示的STOP仿真過(guò)程用于對(duì)廠商的聚焦控制方法進(jìn)行集成STOP評(píng)估。STOP最初將儀器幾何體的單個(gè)集成CAD模型導(dǎo)入SDE軟件環(huán)境中。然后產(chǎn)生獨(dú)立的熱和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。熱網(wǎng)格和材料屬性和熱邊界條件的相關(guān)工程數(shù)據(jù)可用Thermal Desktop（http：//www.crtech .com）來(lái)計(jì)算，一個(gè)COTS（商品化的產(chǎn)品和技術(shù)）熱設(shè)計(jì)和分析代碼。然后在Abaqus（http://www.simulia.com）（一種用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)代碼）中評(píng)估測(cè)量結(jié)構(gòu)和光學(xué)部件的熱誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變形。接下來(lái)，熱和結(jié)構(gòu)的結(jié)果導(dǎo)入到SigFit中（http: //www.sigmadyne.com），利用另一個(gè)COTS工具，可以計(jì)算光學(xué)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(xiàng)式，。SigFit創(chuàng)建了一個(gè)改正的透鏡組件（L13-16）光學(xué)規(guī)格，導(dǎo)入到CODE V（http://www.opticalres.com），可以評(píng)估光學(xué)性能影響。下面給出關(guān)于這些步驟中的每一個(gè)的更多細(xì)節(jié)。 ~sZqa+jB0 );0<Odw%. 圖2.集成STOP仿真過(guò)程
GwTT+ 集成STOP過(guò)程從光學(xué)組件開始，將單個(gè)集成CAD模型導(dǎo)入機(jī)械CAD程序或Pro/E中（http://www.ptc.com）。學(xué)科工程師在零件、表面和組件上應(yīng)用標(biāo)簽，它們將用于SDE軟件插件進(jìn)行下游分析。各種屬性通過(guò)標(biāo)簽應(yīng)用到CAD模型，并且當(dāng)其或CAD模型本身改變了或被替換掉時(shí)重新應(yīng)用這些屬性。CAD幾何體被標(biāo)記為用于網(wǎng)格劃分、設(shè)置網(wǎng)格化參數(shù)、識(shí)別光學(xué)表面、將材料屬性和表面處理與零件和表面相關(guān)聯(lián)的組零件，如圖3所示。 D-'i G%)kA N7d17c.
5 圖3.標(biāo)記的CAD模型 p w0Px
u)<Ysx8G 圖4.熱和結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格
Ask' ! 在CAD模型被導(dǎo)入和標(biāo)記之后，熱和結(jié)構(gòu)工程師為CAD模型中感興趣的部分采用有限元網(wǎng)格（FEM）方法，用于隨后的分析。網(wǎng)格化參數(shù)由每個(gè)學(xué)科開發(fā)和迭代優(yōu)化，以產(chǎn)生高效而穩(wěn)定的結(jié)果，并且這些參數(shù)被捕獲重復(fù)用于在SDE軟件環(huán)境中的每個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)化階段（圖4）。 b7?U8/#'
< 8}KEe4 熱模型由用于系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)的熱網(wǎng)格以及評(píng)估光學(xué)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(xué)性質(zhì)、加熱器功率水平、邊界條件溫度以及構(gòu)成熱模型的各種部件之間的電導(dǎo)都可在集成環(huán)境中的工程數(shù)據(jù)模型內(nèi)進(jìn)行指定。該數(shù)據(jù)模型是所有工程學(xué)科的工程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，可由任何基礎(chǔ)應(yīng)用共享和重復(fù)使用。對(duì)于任何給定的感興趣的TVAC測(cè)試條件，上述熱模型參數(shù)被傳遞到Thermal Desktop，以計(jì)算熱網(wǎng)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度。Thermal Desktop還用于將這些溫度映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)上。 Dm7Y#)%8
ST[2]
類似地，結(jié)構(gòu)模型由系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及Thermal Desktop計(jì)算溫度場(chǎng)過(guò)程中產(chǎn)的所有用于評(píng)估結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特性、邊界條件和關(guān)于部件之間的結(jié)構(gòu)接觸的類型和參數(shù)的假設(shè)。 這些參數(shù)和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格被傳遞給Abaqus，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移。 ?|
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