基于ANSYS的红外镜筒壁厚优化设计
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I@5&uRa/饨ky"http://www.hzxdks.com/p/fangan/" target="_blank" class="keylink">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℃作用下的整体位移云图，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体位移[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。
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