Что общего у электрического летательного аппарата вертикального взлета и посадки (eVTOL), маневрирующего в оживленном городском воздушном пространстве, и космического аппарата на низкой околоземной орбите (LEO), передающего данные ученым? Оба типа аппаратов все больше зависят от передовых оптических технологий для эффективного функционирования.
Это справедливо для всей аэрокосмической и оборонной (A&D) отрасли, где оптические системы обеспечивают все: от навигации и связи до отслеживания целей.
Для достижения успеха миссии эти системы должны безупречно работать в самых суровых условиях, какие только можно представить, подвергаясь воздействию экстремальных температурных перепадов, слабого освещения, интенсивных механических нагрузок и высокого уровня радиации.
Как же инженерам гарантировать, что оптические характеристики сохранятся под давлением и на протяжении всего жизненного цикла эксплуатации, обеспечивая при этом высочайшую точность конструкции? Ответ заключается в переосмыслении того, как эти системы проектируются, тестируются и проходят валидацию.
Отправная точка: пересмотр традиционных подходов к оптическому проектированию
Исторически разработка оптических систем опиралась на последовательные рабочие процессы, специфичные для каждой дисциплины.
Инженеры-оптики начинают с использования инструментов трассировки лучей для оптимизации качества изображения в идеальных условиях. Механические и тепловые аспекты учитываются позже, зачастую независимо. Затем следуют физические испытания, такие как случайная вибрация и термоциклирование, для подтверждения характеристик.
Хотя этот подход работал в прошлом, он создает критические пробелы. Например, поскольку оптический, механический и тепловой анализы разобщены, инженеры часто упускают из виду, как эти факторы взаимодействуют в реальных условиях. В результате проблемы с производительностью могут проявиться на поздних этапах разработки, когда исправления требуют больших затрат времени и средств.
В то же время консервативные проектные решения, такие как избыточное проектирование компонентов для компенсации неопределенности, могут увеличить массу, сложность и стоимость системы.
Более разумный путь: внедрение мультифизического моделирования
Чтобы преодолеть эти проблемы, новаторы в A&D переходят к интегрированному подходу, основанному на моделировании.
Объединяя оптический, структурный и тепловой анализы в единый рабочий процесс, инженеры могут оценивать производительность системы в реалистичных условиях эксплуатации еще до создания физических прототипов.
Благодаря этому новаторы могут принимать более обоснованные проектные решения, повышать надежность и минимизировать неприятные сюрпризы на поздних этапах. Фактически, этот подход мультифизического моделирования способен трансформировать весь процесс оптического проектирования.
Как можно использовать мультифизическое моделирование для повышения точности и устойчивости оптических систем? Как описано в этой бесплатной технической статье, этого можно достичь за семь шагов:
- Моделирование оптических характеристик
- Моделирование структурного поведения
- Оценка тепловых эффектов
- Выполнение опто-механико-тепловой связи
- Выявление чувствительности и факторов, определяющих конструкцию
- Ранняя оптимизация компромиссов на уровне системы
- Сокращение физического прототипирования за счет виртуальной валидации
Новаторы могут внедрить такой интегрированный подход, основанный на моделировании, полагаясь на решения Ansys, входящие в состав Synopsys, включая:
- Программное обеспечение для проектирования и анализа оптических систем Ansys Zemax OpticStudio
- Программное обеспечение для структурного конечно-элементного анализа Ansys Mechanical
- Программное обеспечение для теплового моделирования Ansys Thermal Desktop
- Программное обеспечение для высокочастотного электромагнитного моделирования Ansys HFSS
Цель: ускорение инноваций при снижении рисков
Этот интегрированный подход к аэрокосмическому и оптическому моделированию приносит ощутимые бизнес-преимущества. Например, оценивая компромиссы на ранних этапах цикла проектирования, команды могут одновременно оптимизировать производительность, размер, вес, стоимость и надежность, что помогает избежать проблем с конструкцией на поздних стадиях.
В то же время виртуальная валидация снижает зависимость от физических прототипов и циклов тестирования. Инженеры могут изучать больше альтернативных вариантов конструкции, быстрее вносить итерации и двигаться вперед с большей уверенностью. Тщательный анализ чувствительности также помогает определить, какие факторы наиболее важны, что позволяет проводить более целенаправленные и эффективные улучшения конструкции.
Это приводит к сокращению сроков разработки, снижению затрат и поставке более надежных систем для критически важных сред.
Визуализация следующих шагов по оптимизации проектирования оптических систем для аэрокосмической отрасли
По мере усложнения систем A&D потребность в точных и устойчивых оптических системах будет только расти. Удовлетворение этого спроса требует фундаментального сдвига в том, как системы проектируются и проходят валидацию.
Интегрируя решения для моделирования Ansys, инженерные команды могут выйти за рамки изолированных рабочих процессов и получить всестороннее понимание реальных характеристик с самых ранних этапов проектирования, разрабатывая системы, которые не только обладают высокой производительностью, но и являются надежными, устойчивыми и готовыми к выполнению миссий.
Хотите узнать больше? Загрузите техническую статью, чтобы изучить подробные стратегии проектирования и рабочие процессы моделирования, которые помогут вам ускорить процесс разработки оптических систем и создавать более надежные оптические решения.
