在航空航天行業(yè)中，立方體衛(wèi)星已成為一種適用于太空光學系統(tǒng)的低成本、易于制造的解決方案。本系列博客介紹了如何使用Ansys Zemax軟件將立方體衛(wèi)星從最初的光學設計轉變?yōu)楣鈾C封裝，以便進行結構-熱-光學性能（STOP）分析。

對于光機有效載荷，必須考慮其將在軌道上?受到的?應力和熱影響。?利用Ansys Mechanical，用戶可以?通過有限元分析（FEA）來分析這些影響。?在FEA?階段之前，可使用Mechanical對光機模型進行網(wǎng)格劃分，并為分析定義邊界條件。完成FEA后，Mechanical中的“Export to STAR”擴展提供了一個簡化的流程，用于準備與Ansys OpticStudio STAR模塊一起使用的數(shù)據(jù)。

如?希望了解整個工作流程，可從本系列博客的第?一部分開始：使用Ansys Zemax開發(fā)立方體衛(wèi)星系統(tǒng)。

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準備FEA設計

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在本系列博客的第?二部分中，使用OpticsBuilder在PTC Creo中完成了光機設計。接下來，將完成的設計導出為STEP文件。在Mechanical中，打開STEP文件并為FEA做好準備。在本示例中，為設計定義了以下材料?選項：

• 兩個反射鏡均由低熱膨脹系數(shù)（CTE）鋁基板制成（Al-MS40Si）2。

• 主框架由碳纖維增強聚合物制成。

• 計量桿由殷瓦合金制成。

• 假定圖像傳感器由印刷電路板（PCB）層壓材料制成。

材料定義

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將材料?選項?賦予模型后，對其進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格由包含節(jié)點（表示幾何結構形狀）的單元組成。對于網(wǎng)格，需要注意的是，兩個鏡面的單元尺寸已進行調整，使每個鏡面至少包含10,000個節(jié)點。將FEA數(shù)據(jù)?導入OpticStudio STAR模塊以供將來分析?時，大量節(jié)點可確保良好的擬合?精度。下圖顯示了用于光機模型的最終網(wǎng)格。

在Ansys Mechanical中定義的網(wǎng)格

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定義邊界條件

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在本示例中，考慮的唯一載荷是熱條件，該條件?會使所有組件根據(jù)其熱膨脹系數(shù)（CTE）進行膨脹。假定立方體衛(wèi)星的輻射控制系統(tǒng)將使光學元件免受溫度大幅波動的影響。選擇12°C、15°C和18°C的離散溫度來代表立方體衛(wèi)星在近地軌道（LEO）上的工作溫度范圍。

OpticStudio中的標稱設計假定是在21°C的室溫環(huán)境中構建的，這是定義幾何結構時的參考溫度。

Mechanical中實施的溫度如下所示：

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FEA結果

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在對光機械模型進行網(wǎng)格劃分并確定熱載荷后，在Mechanical中進行FEA。下圖展示了最低工作溫度（12°C）下的結構變形影響。

結構變形結果

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由于此有效載荷由兩個反射鏡組成，因此只求解了結構變形數(shù)據(jù)。如果將任何折射組件集成到系統(tǒng)中，則有必要求解整個光學系統(tǒng)的?受熱引起的折射率變化。結構變形數(shù)據(jù)和?折射率數(shù)據(jù)都可以導出到OpticStudio STAR模塊，用于分析它們對系統(tǒng)級性能的影響。

完成FEA后，下一步是將兩個反射鏡的結構變形數(shù)據(jù)導入OpticStudio STAR模塊。?利用Mechanical Export to STAR ACT擴展，?就可以輕松地將結構變形數(shù)據(jù)導出為STAR使用的文本文件格式。

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