業務挑戰:

管理日益復雜的光學系統設計

促進多CAD和CAE系統的協同

實現持續發展和改進

成功關鍵:

利用廣大NX用戶獲得的經驗教訓

實施NX并將之作為集成的\多學科的仿真解決方案

在實施NX的過程中,利用大量針對性很強的培訓

成果：

目前，先進的仿真使結構分析和熱分析變得更容易。

成功確立了多學科設計框架，包括繼承、優化的設計功能。

通過直接利用三維設計生成數控程序，保證了統一的數據質量并促進了協同流程。

提高了效率并促進了創新，包括簡化的空間遙感器軌道熱模型開發。

承擔探索中國科研創新體系的光榮職責

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（長春光機所）成立于1952 年。在一批享有崇高聲譽科 學家的領導下，長春光機所已創造出十多項“中國第一”的創新產品，其中包括第一臺紅寶石激光器、第一鍋光學玻璃、第一臺電子顯微鏡以及第一臺高溫金相顯微鏡等。同時，長春光機所還在眾多項目 中扮演了重要角色，從設計電影經緯儀、高分辨率成像光譜儀到航空測量儀，以及南太平洋遠程運載火箭發射，長春光機所為中國的國防現代化事業做出了重大貢獻。

然而，當今社會日趨激烈的科技競爭呼喚科技創新，而科技創新需要更有力、更高效的信息技術來支 撐。隨著信息技術的迅猛發展及其全方位的加速滲透，全球正經歷從工業社會向信息社會的過渡。長春光機所自1999 年實施知識 創新工程以來，已開始綜合運 用先進的信息技術和創新的管 理理念，進行產品研發的有效實施、管理與優化。

NX 在長春光機所的早期應用

三維設計當前已經在各個領域 普及，長春光機所是國內最早 采用三維設計工具進行研發的 單位之一。20 世紀90 年代， 長春光機所將Siemens PLM Software 的NX™ 軟件的早 期版本應用于三維設計，以促 進和確保其科研項目的成功。特別是NX 的數字化產品開發功能使長春光機所的研究人員 能夠在一個直觀的三維情景中 對現實世界進行描述，并使他 們在創造性構型設計方面發生 了革命性的變化。

然而，隨著當今光學系統的產 品特征日趨復雜，長春光機所 在設計過程考慮到的因素也日 漸增多。過去的產品設計往往 只考慮到某個學科或系統的影 響，忽略其他學科或系統在產品設計過程中的作用，設計出來的產品只滿足單一學科的要求，這意味著大部分對其他學科來說很重要的因素仍未得到測定。但是現在，這種狀況已得到了極大的改觀，因 為NX 系統的最新改進功能能夠直接進行多學科的光學系統協同設計；這其中就包括對光學、結構學、電學以及熱學進行評估的團隊。現在，這些學科彼此相互作用、相互影響，從根本上確立了多種因素 彼此間的“藕合”關系。

長春光機所副研究員陳長征博士舉例解釋了這種方法的重要性：“以傳統的光學儀器為例，比如光譜 儀，其設計過程是一個復雜的多學科多用戶的協作過程，往往涉及到光學、結構學、熱力學以及材料學科等諸多學科團隊。除了要滿足各個學科的設計要求之外，還必須考慮復雜的設計限制因素，包括 因各個學科彼此耦合而帶來的交錯紛雜的設計約束和限制”。鑒于這些因素，長春光機所將關注的焦點轉移到多學科設計優化的研究和應用上來。

應用NX 實現多學科的設計優化

2006 年，長春光機所開始配置該系統，并使其成為一種具備三維設計、結構仿真、機構運動仿真、流體仿真、高級熱仿真以及軌道熱分析等多種功能的多學科、集成化仿真解決方案。

為了更高效地應對日漸增多的設計工作量和日益復雜的設計任務，長春光機所將NX NASTRAN®和 NX Advanced Thermal 等結構分析和熱分析應用軟件也收納進來，擴展了其NX 環境。其中，后者可 以在考慮多種變量影響的同時，對整個設計的力學和熱學特性進行分析。陳長征表示：“有了這些改 進功能，長春光機所成為首批完成三維設計普及應用，以及高級仿真定點應用和數控（NC）加工應 用的企業之一”。

為了使長春光機所的高級人員能夠加快新軟件的實施并提高生產力，Siemens PLM Software 組織了針對性很強的大量培訓，包括到研究所組織大型培訓以及跟蹤型培訓，以便使研究所使用該軟件的全體 人員都能更快地取得進步。此外，所里還任命了專門的技術服務人員進行所內軟件的使用管理、所內員工問題答疑等。最終，NX 軟件的三維設計功能得到了長春光機所多個部門的廣泛支持；現在，年 輕員工已經普遍使用三維設計和出圖，極大地提高了工作效率。

現在，一些復雜的零部件被直接發送到信息技術部門，數控程序因而得以高效地生成。在促進數據統 一、提高總體工作效率以及一次加工成功率方面，這種協同流程發揮了重要作用。

此外，長春光機所還開始了新一輪的最佳實踐探索。由于復雜光學系統的設計分析工作經常需要多種 CAD/CAE 軟件功能協同工作才能完成，所以長春光機所決定建立集成化的光學、力學以及熱學優化設計平臺，以滿足研究所的特殊要求。 這一平臺包括使光學設計、結構設計、熱設計、以及試驗仿 真更便利的軟件集成。對于長春光機所來說，將這些軟件統一安裝在高性能計算機服務器上是非常重要的，有助于緩解當地計算機資源短缺的矛盾。

NX 系統強大功能的應用實例

陳博士為我們描述了最新的NX 升級產品是如何幫助中國宇航工程設計新光學系統的：“在新系統中， 由于次級鏡位于離遙感器開口比較近的位置，因此必然受到外層空間熱環境及微重力環境的影響。因此，長春光機所需要詳細分析由于次級鏡在空間熱環境及微重力環境影響下發生面變化而引起整個光 學系統傳遞函數的變化情況。這種復雜的分析以往需要多種軟件工具才能實現。現在利用NX 軟件， 整個模型的力學和熱學特性分析均由其準確完成，從而簡化了設計流程。”

基于NX 的三維建模功能，長春光機所能夠建立空間遙感器的軌道熱模型。通過NX Space Systems Thermal(空間軌道熱分析模塊)，可以確定遙感器在軌道環境下的溫度場分布情況。然后，將熱分析模型的溫度場映射到NX 結構分析模型中，并施加空間微重力載荷，以計算其變形情況。利用同樣的方 法，還可以計算整個遙感器中各個光學元件的變形對光學系統性能的影響，并進行靈敏度分析，指導光學元件支撐結構的設計優化。

集成化的設計和仿真

NX 系統建設完成后，長春光 機所在工程仿真設計上又進行 了相關硬件和軟件的補充，包括購買兩臺128CPU 計算服務 器，及電子學、光學的設計分 析軟件、集成優化設計軟件等， 并結合相關軟件進行了部分的適應性開發應用，現已經建成 一套可以完成光、機、電、熱、 空間輻射等多學科設計，并具 有集成優化設計能力的一套系 統。

長春光機所現在可以通過標準化的應用組件接口，實現多學科的設計與仿真工具集成。同時還可以進 行設計和仿真數據的交流與共享，并在內部網內共享資源，從而支持多學科團隊間的協同工作。此外，長春光機所還利用自己開發的程序完成光－機－熱集成仿真評價，并與其優化設計軟件集成，從而為 整套系統創造了一套最為合理的設計環境。

陳博士說：“當前階段，我們對這套NX 系統還是非常滿意的。而隨著技術的不斷發展，還會對設計 和仿真提出更高的要求，這套一體化設計平臺也將得到不斷的更新和發展。” 陳博士特別提到：在中國全面躋身全球科技創新領導者行列的背景下，長春光機所已被定為于科研創 新的最前沿。 其信息技術為該所科研創新的持續發展奠定了堅實基礎。“我們打算使用NX 系統進一 步加強多學科團隊的知識融合，并在此基礎上建立專家庫系統，建立全面的設計事例模板，實現資源、 數據、知識以及項目經驗的共享。”陳博士如是說