技术课堂丨反光面平面度:ABAQUS+ISIGHT+ANSA 的仿真优化实例

发布时间:2025-12-22 16:50:21

在光学仪器设计中,反光面的平面度直接影响光线传输效率与成像质量。然而,螺钉预紧力的不对称分布往往导致平面度误差,传统试错法不仅耗时,且难以量化最优解。

以某光学仪器为例,揭秘如何通过达索系统ABAQUS+ISIGHT和ANSA实现"仿真-优化"闭环,将平面度误差最小化。



01

为什么螺钉拧紧力会影响光学精度?


典型痛点场景:光学仪器中粉色反光面的平面度直接影响光线反射路径精度


问题根源:背部3颗墨绿色螺钉(正三角形布置)的预紧力差异会导致反光面微量变形。


工程挑战:如何在螺钉允许的轴力范围内(450N±30%),找到使平面度误差最小的最优配置?


传统方案瓶颈:
依赖经验试错,调整周期长
难以量化不同螺钉力的耦合影响

02

三大工业软件深度协同


1) ANSA前处理:高精度建模全流程



由于载荷的对称性,所以只需要一半模型进行分析即可,将数模导入 ANSA 后划分网格,FEA 模型存在19702 个 C3D10M 四面体和 376 个 C3D8R 六面体单元。

材料情况:紧固件为Steel,除紧固件外其余都为6061铝。
 

连接设置:螺钉孔Tie连接,安装孔Kinematic Coupling,准确模拟接触行为


 

坐标系建立:关键步骤在于需要输出反光面的平面度,所以需要建立如图的坐标系,其 Z 轴垂直于反光面。未来我们将输出整个反光面节点基于此坐标系的 Z 向位移。并提取最大和最小值,作差后既可得到平面度误差。
 


为整个反光面的节点建立一个集合,名叫 “Detect”。


需要把整个反光面的节点 *Transform 到 Z 向垂直的坐标系上。如下图:

 


 


固定 KINEMATIC COUPLING的控制节点。


创建对称边界条件,但要注意,由于反光面节点是 Transform 过的。所以,下图红框圈出的节点要排除在这个边界条件之外。

 


创建的轴系 Z 轴是垂直于反光面的,如图,可见Y轴是垂直于对称面的。所以单独为公共边创建 Y 方向的位移约束边界。

 

 


为2颗螺钉创建 Pre-tension Section。

 


螺栓载荷细节在Pre-tension Section的关联节点,添加Cload集中力,用来加载螺栓预紧力,数值为450N,其中由于某螺钉只有半颗,所以是225N


一个ALL ELEM的通用接触,摩擦系数0.3

由于创建Cload载荷,ANSA自动创建一个STATIC分析步。

分析步配置如图,常规操作

关键需要使用*Node Print,向ABAQUS的计算 dat文件输出反光面的U3位移如下图,NSET 4 既为先前创建的Detect集合,并把SUMMARY切选为YES,并确保GLOBAL为NO,这样就不会在全局坐标系输出U3。

 


为使得求解文件规律化系统化,使用 ANSA 的 Include 管理,把 ABAQUS 的模型分解为3部分,分别存放 NODES、ELEMENTSMODELHISTORY数据。


2) ABAQUS求解:从云图到数据验证



求解过程:通过批处理文件调用ABAQUS求解

导出INP后,目录呈现如下结构,此目录上新建一个 bat 批处理用来求解



双击 bat 文件求解,得到如下位移云图:



数据校验:打开 ABAQUS 求解时生成的 dat 文件,在末尾可看到最大和最小位移,此处和云图的值略有差异,我们以 dat 文件的输出为准因为云图里显示的是反光面所有单元节点的位移,云图值与dat文件输出略有差异,以dat文件为准


创建一个名为 Resource 的文件夹,把 ANSA 文件,ABAQUS INP 文件,求解结果等文件全部放置其中,以备 ISIGHT 使用,另可见 Resource 文件夹的父文件夹被称为 Analysis,未来我们将在此父文件夹内完成优化。

3) ISIGHT优化:智能DOE探索设计空间



完整工作流搭建:

组件连接Simcode调用ABAQUS → Calculator计算平面度 → DOE组件优化。


双击Simcode,具体流程配置如下:

 












目标函数:Dis = Max_U3 - Min_U3


双击DOE1,如图设置

















参考上述相同的操作,为SIMCODE组件添加所有需要的输入资源。


 


SAVE 模型到 Analysis 目录。





点击开始运行。


DOE结果,当轴对称平面上的螺栓达到660N,非轴对称的2颗螺栓达到450N时,平面度误差达到最小,数值为 0.000217mm。


Dis 既平面度,与螺栓轴力bolt1,bolt2的关系如图。


Pareto图,提示非轴对称平面上的单颗螺栓的轴力(bolt1)对于平面度的影响远远大于其它因素。



主效应图,如图蓝色为bolt2,黑色为bolt1,黑色线条斜率更高,提示非对称面上螺栓的轴力对平面度的影响更大。





03

技术亮点与工程价值


全流程闭环验证:从CAD模型→仿真→优化结果可追溯
微米级控制能力:最终平面度误差0.000217mm,满足光学仪器严苛标准
方法论扩展性:可复用于精密机械装配应力优化、航空航天紧固件布局设计

结果深度解读


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