有限元法在光學(xué)工程中的應(yīng)用研究

蔡銘宣

（長春理工大學(xué)，吉林長春 130022）

0.前言

在光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)指標對其來說十分重要，在光學(xué)工程中要保證一定的光學(xué)指標符合要求同時對于凈質(zhì)量要求也十分嚴格，對于凈質(zhì)量的要求要達到光學(xué)工程的具體要求，保證其整個的光學(xué)工程符合質(zhì)量的要求，達到剛度需求的界限[1]。在光學(xué)工程中，其成像的具體質(zhì)量和水平是需要通過其結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量進行完成的。也就是說，其凈質(zhì)量的整體要求影響著其成像的質(zhì)量，一旦凈質(zhì)量的要求下降，其光學(xué)工程的整體剛度就會下降，直接對成像質(zhì)量有著重要的影響。所以，如何設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)其凈質(zhì)量不會過大，同時又能保證光學(xué)成像質(zhì)量的系統(tǒng)，這是首先去思考的問題，在這之上還要在安裝發(fā)射等環(huán)節(jié)中，確保不出現(xiàn)瑕疵，保證質(zhì)量，保證光學(xué)工程穩(wěn)定運行。

要解決以上的這些光學(xué)工程中的困境，不能只通過經(jīng)驗去解決，也要進行科學(xué)的論證和合理的實踐模擬，運用現(xiàn)代技術(shù)進行分析和對比，在光學(xué)工程中，其實驗的要求相對較高，對各項指標都要求十分嚴格，所以其實驗的成本也相對較高，而通過理論分析的話，不進行實踐操作，很多可變的因素?zé)o法進行假設(shè)，計算出的結(jié)果往往也不夠準確，與實際情況中也相差較遠[2]。所以綜合考慮下，其眾多的研究方法中，數(shù)值計算法十分的嚴格和準確，相對于其他的計算方法來說也十分的靈活，可以實現(xiàn)很多假設(shè)條件的計算，同時，數(shù)值計算方法主要有有限差分法和有限元法。其中，有限差分法其在具體的應(yīng)用中相對便捷，其在計算中也相對較好操作，對于一些復(fù)雜的條件下，例如不規(guī)則形狀等下，進行靈活的應(yīng)用，進行計算。計算機技術(shù)的應(yīng)用，對于計算方面提供了更好的便利條件，在各個領(lǐng)域都有著較好的應(yīng)用。

1.有限元分析方法的廣泛應(yīng)用

在現(xiàn)在的階段，有限元法分析的模式，在光學(xué)工程中被普遍應(yīng)用，其通過連續(xù)高斯光束共軸正入射圓形平面光學(xué)薄膜元件的條件下，進行模擬，采用相關(guān)軟件進行輔助計算，來建立光學(xué)薄膜基底溫度場，進行對光學(xué)工程的計算，得出的數(shù)值進行對比分析。相關(guān)專家通過應(yīng)用ANSYS軟件來進行實驗的模擬[3]，對靶場反射鏡進行了改進，建立了靶場反射鏡模型，并且對其實測的環(huán)境進行監(jiān)測，對其溫度變化進行統(tǒng)計，其數(shù)值作為載荷，計算得到了反射鏡在靶場溫度變化0.3直鏡面方向的變形滿足穩(wěn)定性設(shè)計要求。該軟件同時建立了光學(xué)頭懸線式二維力矩器的有限元模型，并對其進行了多種模塊分析。[4]同時對其電磁場進行環(huán)境監(jiān)測和分析，對其物鏡架組件也進行了研究，在動靜態(tài)下進行研究。其相關(guān)的軟件還有ALGOR FEAS軟件，這些軟件都可以更好的進行有限元法在光學(xué)工程中的應(yīng)用研究，其對金屬的反射下的實驗有著較高的影響，在不同的情況下進行分析，對于受力的整體狀態(tài)進行對比統(tǒng)計，在受力因素進行變化的同時，進行問題的分析研究，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的整體運行要求，保證其對凈質(zhì)量的要求，同時運用相關(guān)的CT科學(xué)技術(shù)，進行有限元法的理論解釋，通過理論分析進行研究得出結(jié)論，給出了二維圓形組織體光學(xué)CT正模型，對其數(shù)直結(jié)果進行統(tǒng)計。當(dāng)然，通過反光鏡形狀的研究中，我們發(fā)現(xiàn)其對各種參數(shù)的變化也有著一定的影響。

2.在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

在其計算機技術(shù)的不斷應(yīng)用中，其空間技術(shù)也不斷發(fā)展，人們的研究空間逐步擴大，逐步實現(xiàn)在大氣層外進行研究和觀測，在宇宙深處，進行機器的觀察和探測，人們的科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展和進步，對人們的研究有著重要的助推作用，而反射式光學(xué)系統(tǒng)其存在較多的優(yōu)點，在觀測中不會出現(xiàn)色差，在研究中可以實現(xiàn)范圍內(nèi)的空間遙感要求[5]。徑口較大的光學(xué)工程其分辨能力也相對較強，但是也有相應(yīng)的問題出現(xiàn)，其光學(xué)工程中的凈質(zhì)量就會增加，無法實現(xiàn)其簡便輕盈化，所以如何設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)其凈質(zhì)量不會過大，同時又能保證光學(xué)成像質(zhì)量的系統(tǒng)，這是首先去思考的問題，在這之上還要在安裝發(fā)射等環(huán)節(jié)中，確保不出現(xiàn)瑕疵，保證質(zhì)量，保證光學(xué)工程穩(wěn)定運行。在反射鏡的設(shè)計中，其重點要考慮兩個問題，第一就是要保證反射鏡的整體結(jié)構(gòu)的凈質(zhì)量相對較輕，實現(xiàn)輕量化，第二就是在其材料的選擇上，選擇物美價廉的材料，實現(xiàn)反射鏡的整體質(zhì)量要求的同時，保證成本的最低，對材料的要求相對較高，對重量方面和彎曲程度都有著一定的要求。其反射鏡在光學(xué)工程中，有著重要的作用，其有著不能代替的優(yōu)勢，未來會廣泛應(yīng)用到光學(xué)工程中。

3.在國內(nèi)的應(yīng)用研究

在我國的具體研究中，其對于光學(xué)工程中的具體研究不夠全面，起步也相對較晚，在數(shù)值研究分析法中也是初級階段，但是我國的發(fā)展相對來說是相對較快的[2]。計算機技術(shù)的應(yīng)用，對于計算方面提供了更好的便利條件，在各個領(lǐng)域都有著較好的應(yīng)用。人們的科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展和進步，對人們的研究有著重要的助推作用，在有限單元法的研究方式中，其通過建立二維模型進行了計算機模擬分析，從而對其熱度環(huán)境進行分析，但是其對環(huán)境中的熱物性參數(shù)和相變潛熱沒有進行深入的研究，對其可變因素也缺少思考，同時其得到的結(jié)果來說也是沒有加以論證的。而反射鏡在光學(xué)工程中，有著重要的作用，其有著不能代替的優(yōu)勢，未來會廣泛應(yīng)用到光學(xué)工程中。國內(nèi)的一些專家從相變理論和熱彈塑性理論出發(fā)，通過對相關(guān)環(huán)境中的變熱物性參數(shù)進行分析，建立了考慮相變和變熱物性參數(shù)的三維模型。同時對于有限元法也有一定的深入研究，對于最后的結(jié)果進行分析論證，結(jié)果表明所采用的模型與實際情況吻合較好。在研究中通過運用有限差分方法，進行相變硬化激光表面淬火非穩(wěn)定溫度場軟件的相關(guān)模擬和研究，對現(xiàn)實情況下進行模擬和處理。其有限單元法在光學(xué)工程中十分常見，根據(jù)有限單元法的基本原理，推導(dǎo)出所建激光相變硬化模型的有限單元方程，進而研制開發(fā)出了激光相變硬化有限元模擬分析軟件，實驗結(jié)果表明該軟件是可靠實用的。

4.結(jié)語

在光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)指標對其來說十分重要，在光學(xué)工程中要保證一定的光學(xué)指標符合要求同時對于凈質(zhì)量要求也十分嚴格，尤其是在光學(xué)工程中，其有著重要的質(zhì)量要求，本文通過對有限元法在光學(xué)工程中的應(yīng)用進行論述，從而認識到有限元法的重要位置[6]，結(jié)合現(xiàn)實情況進行闡述，更好的實現(xiàn)有限元法在光學(xué)工程中的應(yīng)用與研究。其眾多的研究方法中，數(shù)值計算法十分的嚴格和準確，相對于其他的計算方法來說也十分的靈活，可以實現(xiàn)很多假設(shè)條件的計算，同時，數(shù)值計算方法主要有有限差分法和有限元法。其中，有限差分法其在具體的應(yīng)用中相對便捷，其在計算中也相對較好操作，對于一些復(fù)雜的條件下，例如不規(guī)則形狀等下，進行靈活的應(yīng)用，進行計算。在光學(xué)工程中其材料的選擇上，選擇物美價廉的材料，實現(xiàn)反射鏡的整體質(zhì)量要求的同時，保證成本的最低，對材料的要求相對較高，對重量方面和彎曲程度都有著一定的要求。其反射鏡在光學(xué)工程中，有著重要的作用，其有著不能代替的優(yōu)勢，未來會廣泛應(yīng)用到光學(xué)工程中。因此，如何設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)其凈質(zhì)量不會過大，同時又能保證光學(xué)成像質(zhì)量的系統(tǒng)，這是首先去思考的問題，在這之上還要在安裝發(fā)射等環(huán)節(jié)中，確保不出現(xiàn)瑕疵，保證質(zhì)量，保證光學(xué)工程穩(wěn)定運行。