前言

光機熱集成分析是一種跨學科的分析方法，結合了熱學、機械學和光學三個學科的知識，主要用于分析在不同尺寸和不同載荷下，光學系統成像受到的影響。這種分析方法需要聯合仿真熱、機械和光學性能，以評估設計方案的可行性和性能表現。

光機熱耦合分析包含了熱和結構以及光學，通過使用多個學科的仿真工具，可以更全面地考慮設計中的各種因素，從而得到更準確的分析結果。這種多學科集成分析的優勢在于，它能夠通過對光學性能進行一個確定性的評價，深入理解結構、熱力學和光學跨學科設計之間的關系以及影響。

1光機熱聯合分析步驟

1.1在Workbench中進行熱-結構分析，獲取光學組件的FEA（有限元分析）數據，具體包括溫度和變形量的數據。

1.2將FEA數據導入到Zemax軟件中在Zemax中，我們可以通過對導入的FEA數據進行處理和分析，輸出用于評價光學組件性能的結果數據。

1.3利用結果數據建立MOP元模型，并進行尋優根據評價標準，對這些結果數據進行評估，完成對光學組件的性能評估和優化設計。

2Workbench 熱-結構仿真

求解后可得到全局坐標系下變形及溫度FEA數據，預先求解，在optiSLang中作為初始值。

變形

溫度 ? ?

3Zemax 模型

? ?

Zemax模型光學組件模型尺寸與mechanical的相同，用于mechanical中的變形與溫度參數數據傳輸。

4基礎仿真模型搭建與元模型建立 (AMOP)

以下流程圖為optiSLang 的parametric 系統，用于用戶的初始化設置及workflow 驗證。

optiSLang的參數系統可以將參數類型設置為Dependent，實現workbench與Zemax之間幾何參數互傳。

在optiSLang中基于上述步驟，我們已經搭建完善的 optiSLang 的 Workbench和Zemax 的仿真自動化工作流。此步驟我們將演示如何進行參數敏感性分析以及 optiSLang 的“最佳元模型”搭建，optiSLang“最佳元模型”是基于 optiSLang 特有的自適應采樣建模，通過對樣本空間的分析構建一套擬合光機熱求解器的數學模型，并用于后續快速的優化求解。我們只需要將sensitivity wizard 拖拽入第一步測試的Parametric System 即可生成 AMOP(Adaptive Metamodel of Optimal Prognosis) 模型，如下圖所示。

在AMOP的Criteria，點擊Objective，創建一個obj，其表達式為(TRCX_10_new_STAR)^2*0.873+(TRCY_15_new_STAR)^2*0.873+(TRCX_12_new_STAR)^2*1.396+(TRCY_11_new_STAR)^2*0.873+(TRCX_14_new_STAR)^2*0.873+(TRCY_13_new_STAR)^2*1.396，obj為需要分析的目標函數。

此步驟中找到適當數量的樣本空間很重要，增加采樣數可以獲得更好的元模型，同時也意味著增加完成仿真所需的時間（此步驟的每一步采樣均需要調用 workbench和ZEMAX 做仿真求解，以幫助 optiSLang 尋找優化擬合元模型）。這里我們做了 100 個采樣點，可以看到每一個隨機采樣下的輸入輸出值， optiSLang 支持輸入參數的多種采樣方式，如連續采樣，離散采樣，高斯采樣等。

100個采樣仿真結束之后，我們在 post-processing中即可看到元模型的擬合結果以及各個輸出對輸入的依賴度，即 CoP (Coefficientof Prognosis) matrix，也就是我們所說的參數敏感性分析。如下圖所示，我們發現元模型對 obj 的擬合度可以達到 99.9%且R2_Lens1 這一參數對 Obj 影響比較大，占比67.3%。

5總結

以上介紹了基于optiSLang光機熱的分析流程，optiSLang 支持workbench，Zemax仿真自動化，支持各求解器之間的自動化數據交互，數據后處理以及全流程自動化求解。optiSLang特有的多目標優化能力和元模型理論可以幫助用戶快速找到關鍵影響因素，以及幫助用戶找到目標值，節省迭代時間。基于上述能力opitislang用戶可以實現各種不同應用下的仿真自動化和優化流程，實現更高效的仿真。

關于CYBERNET

CYBERNET集團是日本先進的CAE技術服務公司，在中國成立莎益博工程系統開發（上海）有限公司，在中國上海、北京、深圳、成都等地成立辦公室，為中國本地客戶和跨國公司提供CAE技術服務，包括過程集成和多學科優化設計、光學設計和BSDF光學散射測量服務、科學計算和系統級建模、Ansys 工業仿真工具，PTC 數字化轉型解決方案，以及相關行業專業的技術咨詢、技術服務與培訓。

審核編輯：湯梓紅