Zemax Star模块对称工具加速镜头光机热耦合分析

1  前言  

ZemaxStar模块自2021年推出以来，受到广大客户的好评，得到越来越多的应用。光机热耦合分析涉及到大量的精细网格点数据，因此无论是在Mechanical中的FEA分析还是在Zemax中的光线追迹，运行速度都是大家关心的问题。AnsysZemax团队也在提升分析效率的问题上做了非常多的努力。在ZemaxOpticstudio2023R1版本中，加载了FEA形变数据和温度数据的情况下，实测光线追迹速度较之前版本提升大约1倍。另外在近期发布的版本中，又增加了Star模块对称工具，对于分析具有对称特征的形变或温度分布，FEA分析速度可以提升数倍，从而加速了整个STOP（结构、热、光学表现）分析过程。  

2  对称结构的FEA分析  

划分了精细网格的完整结构的FEA分析通常需要大量的时间来运行，为了压缩这个时间，FEA工程师想到的有效的方式是利用对称性，只分析一半、四分之一或八分之一的结构。根据经验，分析时间大概会压缩n2倍，比如采用四分之一结构，分析速度可以提升16倍。  

为了加载这种局部数据到ZemaxOpticstudio中，需要用到OpticstudioStar模块的对称工具，通过采用镜像或者旋转的方式将镜片形变/温度数据补全。  

这种方式适用于具有对称特征的形变或温度分布情况，用于前期快速分析判断光学系统大致的变化趋势。  

3  FEA数据查看器  

在拿到FEA数据后，我们首先用Star模块的FEA查看器进行粗略的查看形变或温度的分布形态。在这个界面中，可以看到网格点数量，网格点分别在X、Y、Z方向的坐标最大、最小、中间值，以及形变量分别在X、Y、Z方向的最大、最小、中间值，并在图形中以颜色表示形变大小。  

4  使用对称工具  

通过点击Star模块中的“对称工具”>“打开FEA文件”，然后勾选“镜像”或“旋转”中的对称轴/面选项，就可以将部分FEA数据转换成完整的FEA数据并保存。  

5  镜像对称  

通过选择对称面，可以预览并保存求完镜像后的完整数据，如下图所示。  

6  旋转对称  

也可以将一个二维的数据通过沿对称轴旋转转换成完整的三维数据。  

对于温度数据也可以实现同样的操作。  

7  全部数据的一键转换  

通过选择所有面型并预览所有，可以一键完成所有数据的镜像或旋转并保存数据，操作更加快捷。  

8  总结  

以上介绍了Star模块对称工具的多种应用方式，不仅实用而且界面优好，可以大大加速对于具有对称特征结构形变与温度分布系统的光机热耦合分析迭代过程，对于快速预测系统变化趋势并优化设计有很大的帮助。后续可将转换并保存好的完整FEA数据加载到Star模块按照常规的分析步骤进行，详见本公众号前期文章。

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