有限元法在光学工程中的应用研究

蔡铭宣

（长春理工大学，吉林长春 130022）

0.前言

在光学系统中，光学指标对其来说十分重要，在光学工程中要保证一定的光学指标符合要求同时对于净质量要求也十分严格，对于净质量的要求要达到光学工程的具体要求，保证其整个的光学工程符合质量的要求，达到刚度需求的界限[1]。在光学工程中，其成像的具体质量和水平是需要通过其结构的整体质量进行完成的。也就是说，其净质量的整体要求影响着其成像的质量，一旦净质量的要求下降，其光学工程的整体刚度就会下降，直接对成像质量有着重要的影响。所以，如何设计出一个能够实现其净质量不会过大，同时又能保证光学成像质量的系统，这是首先去思考的问题，在这之上还要在安装发射等环节中，确保不出现瑕疵，保证质量，保证光学工程稳定运行。

要解决以上的这些光学工程中的困境，不能只通过经验去解决，也要进行科学的论证和合理的实践模拟，运用现代技术进行分析和对比，在光学工程中，其实验的要求相对较高，对各项指标都要求十分严格，所以其实验的成本也相对较高，而通过理论分析的话，不进行实践操作，很多可变的因素无法进行假设，计算出的结果往往也不够准确，与实际情况中也相差较远[2]。所以综合考虑下，其众多的研究方法中，数值计算法十分的严格和准确，相对于其他的计算方法来说也十分的灵活，可以实现很多假设条件的计算，同时，数值计算方法主要有有限差分法和有限元法。其中，有限差分法其在具体的应用中相对便捷，其在计算中也相对较好操作，对于一些复杂的条件下，例如不规则形状等下，进行灵活的应用，进行计算。计算机技术的应用，对于计算方面提供了更好的便利条件，在各个领域都有着较好的应用。

1.有限元分析方法的广泛应用

在现在的阶段，有限元法分析的模式，在光学工程中被普遍应用，其通过连续高斯光束共轴正入射圆形平面光学薄膜元件的条件下，进行模拟，采用相关软件进行辅助计算，来建立光学薄膜基底温度场，进行对光学工程的计算，得出的数值进行对比分析。相关专家通过应用ANSYS软件来进行实验的模拟[3]，对靶场反射镜进行了改进，建立了靶场反射镜模型，并且对其实测的环境进行监测，对其温度变化进行统计，其数值作为载荷，计算得到了反射镜在靶场温度变化0.3直镜面方向的变形满足稳定性设计要求。该软件同时建立了光学头悬线式二维力矩器的有限元模型，并对其进行了多种模块分析。[4]同时对其电磁场进行环境监测和分析，对其物镜架组件也进行了研究，在动静态下进行研究。其相关的软件还有ALGOR FEAS软件，这些软件都可以更好的进行有限元法在光学工程中的应用研究，其对金属的反射下的实验有着较高的影响，在不同的情况下进行分析，对于受力的整体状态进行对比统计，在受力因素进行变化的同时，进行问题的分析研究，实现光学系统的整体运行要求，保证其对净质量的要求，同时运用相关的CT科学技术，进行有限元法的理论解释，通过理论分析进行研究得出结论，给出了二维圆形组织体光学CT正模型，对其数直结果进行统计。当然，通过反光镜形状的研究中，我们发现其对各种参数的变化也有着一定的影响。

2.在光学系统结构上的应用

在其计算机技术的不断应用中，其空间技术也不断发展，人们的研究空间逐步扩大，逐步实现在大气层外进行研究和观测，在宇宙深处，进行机器的观察和探测，人们的科学技术不断的发展和进步，对人们的研究有着重要的助推作用，而反射式光学系统其存在较多的优点，在观测中不会出现色差，在研究中可以实现范围内的空间遥感要求[5]。径口较大的光学工程其分辨能力也相对较强，但是也有相应的问题出现，其光学工程中的净质量就会增加，无法实现其简便轻盈化，所以如何设计出一个能够实现其净质量不会过大，同时又能保证光学成像质量的系统，这是首先去思考的问题，在这之上还要在安装发射等环节中，确保不出现瑕疵，保证质量，保证光学工程稳定运行。在反射镜的设计中，其重点要考虑两个问题，第一就是要保证反射镜的整体结构的净质量相对较轻，实现轻量化，第二就是在其材料的选择上，选择物美价廉的材料，实现反射镜的整体质量要求的同时，保证成本的最低，对材料的要求相对较高，对重量方面和弯曲程度都有着一定的要求。其反射镜在光学工程中，有着重要的作用，其有着不能代替的优势，未来会广泛应用到光学工程中。

3.在国内的应用研究

在我国的具体研究中，其对于光学工程中的具体研究不够全面，起步也相对较晚，在数值研究分析法中也是初级阶段，但是我国的发展相对来说是相对较快的[2]。计算机技术的应用，对于计算方面提供了更好的便利条件，在各个领域都有着较好的应用。人们的科学技术不断的发展和进步，对人们的研究有着重要的助推作用，在有限单元法的研究方式中，其通过建立二维模型进行了计算机模拟分析，从而对其热度环境进行分析，但是其对环境中的热物性参数和相变潜热没有进行深入的研究，对其可变因素也缺少思考，同时其得到的结果来说也是没有加以论证的。而反射镜在光学工程中，有着重要的作用，其有着不能代替的优势，未来会广泛应用到光学工程中。国内的一些专家从相变理论和热弹塑性理论出发，通过对相关环境中的变热物性参数进行分析，建立了考虑相变和变热物性参数的三维模型。同时对于有限元法也有一定的深入研究，对于最后的结果进行分析论证，结果表明所采用的模型与实际情况吻合较好。在研究中通过运用有限差分方法，进行相变硬化激光表面淬火非稳定温度场软件的相关模拟和研究，对现实情况下进行模拟和处理。其有限单元法在光学工程中十分常见，根据有限单元法的基本原理，推导出所建激光相变硬化模型的有限单元方程，进而研制开发出了激光相变硬化有限元模拟分析软件，实验结果表明该软件是可靠实用的。

4.结语

在光学系统中，光学指标对其来说十分重要，在光学工程中要保证一定的光学指标符合要求同时对于净质量要求也十分严格，尤其是在光学工程中，其有着重要的质量要求，本文通过对有限元法在光学工程中的应用进行论述，从而认识到有限元法的重要位置[6]，结合现实情况进行阐述，更好的实现有限元法在光学工程中的应用与研究。其众多的研究方法中，数值计算法十分的严格和准确，相对于其他的计算方法来说也十分的灵活，可以实现很多假设条件的计算，同时，数值计算方法主要有有限差分法和有限元法。其中，有限差分法其在具体的应用中相对便捷，其在计算中也相对较好操作，对于一些复杂的条件下，例如不规则形状等下，进行灵活的应用，进行计算。在光学工程中其材料的选择上，选择物美价廉的材料，实现反射镜的整体质量要求的同时，保证成本的最低，对材料的要求相对较高，对重量方面和弯曲程度都有着一定的要求。其反射镜在光学工程中，有着重要的作用，其有着不能代替的优势，未来会广泛应用到光学工程中。因此，如何设计出一个能够实现其净质量不会过大，同时又能保证光学成像质量的系统，这是首先去思考的问题，在这之上还要在安装发射等环节中，确保不出现瑕疵，保证质量，保证光学工程稳定运行。