業(yè)務(wù)挑戰(zhàn):

管理日益復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

促進(jìn)多CAD和CAE系統(tǒng)的協(xié)同

實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展和改進(jìn)

成功關(guān)鍵:

利用廣大NX用戶獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)

實施NX并將之作為集成的\多學(xué)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(xùn)

成果：

目前，先進(jìn)的仿真使結(jié)構(gòu)分析和熱分析變得更容易。

成功確立了多學(xué)科設(shè)計框架，包括繼承、優(yōu)化的設(shè)計功能。

通過直接利用三維設(shè)計生成數(shù)控程序，保證了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)質(zhì)量并促進(jìn)了協(xié)同流程。

提高了效率并促進(jìn)了創(chuàng)新，包括簡化的空間遙感器軌道熱模型開發(fā)。

承擔(dān)探索中國科研創(chuàng)新體系的光榮職責(zé)

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（長春光機(jī)所）成立于1952 年。在一批享有崇高聲譽科 學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)下，長春光機(jī)所已創(chuàng)造出十多項“中國第一”的創(chuàng)新產(chǎn)品，其中包括第一臺紅寶石激光器、第一鍋光學(xué)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(jī)所還在眾多項目 中扮演了重要角色，從設(shè)計電影經(jīng)緯儀、高分辨率成像光譜儀到航空測量儀，以及南太平洋遠(yuǎn)程運載火箭發(fā)射，長春光機(jī)所為中國的國防現(xiàn)代化事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。

然而，當(dāng)今社會日趨激烈的科技競爭呼喚科技創(chuàng)新，而科技創(chuàng)新需要更有力、更高效的信息技術(shù)來支 撐。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展及其全方位的加速滲透，全球正經(jīng)歷從工業(yè)社會向信息社會的過渡。長春光機(jī)所自1999 年實施知識 創(chuàng)新工程以來，已開始綜合運 用先進(jìn)的信息技術(shù)和創(chuàng)新的管 理理念，進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)的有效實施、管理與優(yōu)化。

NX 在長春光機(jī)所的早期應(yīng)用

三維設(shè)計當(dāng)前已經(jīng)在各個領(lǐng)域 普及，長春光機(jī)所是國內(nèi)最早 采用三維設(shè)計工具進(jìn)行研發(fā)的 單位之一。20 世紀(jì)90 年代， 長春光機(jī)所將Siemens PLM Software 的NX™ 軟件的早 期版本應(yīng)用于三維設(shè)計，以促 進(jìn)和確保其科研項目的成功。特別是NX 的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)功能使長春光機(jī)所的研究人員 能夠在一個直觀的三維情景中 對現(xiàn)實世界進(jìn)行描述，并使他 們在創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計方面發(fā)生 了革命性的變化。

然而，隨著當(dāng)今光學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn) 品特征日趨復(fù)雜，長春光機(jī)所 在設(shè)計過程考慮到的因素也日 漸增多。過去的產(chǎn)品設(shè)計往往 只考慮到某個學(xué)科或系統(tǒng)的影 響，忽略其他學(xué)科或系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計過程中的作用，設(shè)計出來的產(chǎn)品只滿足單一學(xué)科的要求，這意味著大部分對其他學(xué)科來說很重要的因素仍未得到測定。但是現(xiàn)在，這種狀況已得到了極大的改觀，因 為NX 系統(tǒng)的最新改進(jìn)功能能夠直接進(jìn)行多學(xué)科的光學(xué)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計；這其中就包括對光學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)進(jìn)行評估的團(tuán)隊。現(xiàn)在，這些學(xué)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(guān)系。

長春光機(jī)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(tǒng)的光學(xué)儀器為例，比如光譜 儀，其設(shè)計過程是一個復(fù)雜的多學(xué)科多用戶的協(xié)作過程，往往涉及到光學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、熱力學(xué)以及材料學(xué)科等諸多學(xué)科團(tuán)隊。除了要滿足各個學(xué)科的設(shè)計要求之外，還必須考慮復(fù)雜的設(shè)計限制因素，包括 因各個學(xué)科彼此耦合而帶來的交錯紛雜的設(shè)計約束和限制”。鑒于這些因素，長春光機(jī)所將關(guān)注的焦點轉(zhuǎn)移到多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的研究和應(yīng)用上來。

應(yīng)用NX 實現(xiàn)多學(xué)科的設(shè)計優(yōu)化

2006 年，長春光機(jī)所開始配置該系統(tǒng)，并使其成為一種具備三維設(shè)計、結(jié)構(gòu)仿真、機(jī)構(gòu)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(xué)科、集成化仿真解決方案。

為了更高效地應(yīng)對日漸增多的設(shè)計工作量和日益復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)，長春光機(jī)所將NX NASTRAN®和 NX Advanced Thermal 等結(jié)構(gòu)分析和熱分析應(yīng)用軟件也收納進(jìn)來，擴(kuò)展了其NX 環(huán)境。其中，后者可 以在考慮多種變量影響的同時，對整個設(shè)計的力學(xué)和熱學(xué)特性進(jìn)行分析。陳長征表示：“有了這些改 進(jìn)功能，長春光機(jī)所成為首批完成三維設(shè)計普及應(yīng)用，以及高級仿真定點應(yīng)用和數(shù)控（NC）加工應(yīng) 用的企業(yè)之一”。

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

現(xiàn)在，一些復(fù)雜的零部件被直接發(fā)送到信息技術(shù)部門，數(shù)控程序因而得以高效地生成。在促進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng) 一、提高總體工作效率以及一次加工成功率方面，這種協(xié)同流程發(fā)揮了重要作用。

此外，長春光機(jī)所還開始了新一輪的最佳實踐探索。由于復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計分析工作經(jīng)常需要多種 CAD/CAE 軟件功能協(xié)同工作才能完成，所以長春光機(jī)所決定建立集成化的光學(xué)、力學(xué)以及熱學(xué)優(yōu)化設(shè)計平臺，以滿足研究所的特殊要求。 這一平臺包括使光學(xué)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計、以及試驗仿 真更便利的軟件集成。對于長春光機(jī)所來說，將這些軟件統(tǒng)一安裝在高性能計算機(jī)服務(wù)器上是非常重要的，有助于緩解當(dāng)?shù)赜嬎銠C(jī)資源短缺的矛盾。

NX 系統(tǒng)強大功能的應(yīng)用實例

陳博士為我們描述了最新的NX 升級產(chǎn)品是如何幫助中國宇航工程設(shè)計新光學(xué)系統(tǒng)的：“在新系統(tǒng)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(huán)境及微重力環(huán)境的影響。因此，長春光機(jī)所需要詳細(xì)分析由于次級鏡在空間熱環(huán)境及微重力環(huán)境影響下發(fā)生面變化而引起整個光 學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的變化情況。這種復(fù)雜的分析以往需要多種軟件工具才能實現(xiàn)。現(xiàn)在利用NX 軟件， 整個模型的力學(xué)和熱學(xué)特性分析均由其準(zhǔn)確完成，從而簡化了設(shè)計流程。”

基于NX 的三維建模功能，長春光機(jī)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(huán)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(jié)構(gòu)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(xué)元件的變形對光學(xué)系統(tǒng)性能的影響，并進(jìn)行靈敏度分析，指導(dǎo)光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。

集成化的設(shè)計和仿真

NX 系統(tǒng)建設(shè)完成后，長春光 機(jī)所在工程仿真設(shè)計上又進(jìn)行 了相關(guān)硬件和軟件的補充，包括購買兩臺128CPU 計算服務(wù) 器，及電子學(xué)、光學(xué)的設(shè)計分 析軟件、集成優(yōu)化設(shè)計軟件等， 并結(jié)合相關(guān)軟件進(jìn)行了部分的適應(yīng)性開發(fā)應(yīng)用，現(xiàn)已經(jīng)建成 一套可以完成光、機(jī)、電、熱、 空間輻射等多學(xué)科設(shè)計，并具 有集成優(yōu)化設(shè)計能力的一套系 統(tǒng)。

長春光機(jī)所現(xiàn)在可以通過標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用組件接口，實現(xiàn)多學(xué)科的設(shè)計與仿真工具集成。同時還可以進(jìn) 行設(shè)計和仿真數(shù)據(jù)的交流與共享，并在內(nèi)部網(wǎng)內(nèi)共享資源，從而支持多學(xué)科團(tuán)隊間的協(xié)同工作。此外，長春光機(jī)所還利用自己開發(fā)的程序完成光－機(jī)－熱集成仿真評價，并與其優(yōu)化設(shè)計軟件集成，從而為 整套系統(tǒng)創(chuàng)造了一套最為合理的設(shè)計環(huán)境。

陳博士說：“當(dāng)前階段，我們對這套NX 系統(tǒng)還是非常滿意的。而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，還會對設(shè)計 和仿真提出更高的要求，這套一體化設(shè)計平臺也將得到不斷的更新和發(fā)展。” 陳博士特別提到：在中國全面躋身全球科技創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者行列的背景下，長春光機(jī)所已被定為于科研創(chuàng) 新的最前沿。 其信息技術(shù)為該所科研創(chuàng)新的持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。“我們打算使用NX 系統(tǒng)進(jìn)一 步加強多學(xué)科團(tuán)隊的知識融合，并在此基礎(chǔ)上建立專家?guī)煜到y(tǒng)，建立全面的設(shè)計事例模板，實現(xiàn)資源、 數(shù)據(jù)、知識以及項目經(jīng)驗的共享。”陳博士如是說