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2013-08-10 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓(xùn)中心 來(lái)源:仿真在線
ANSYS的天線結(jié)構(gòu)CAE平臺(tái)的開(kāi)發(fā)
1引言
天線廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等領(lǐng)域,在國(guó)防應(yīng)用中更是必不可少,但目前由于沒(méi)有專用于天線設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序而使天線的設(shè)計(jì)效率大為降低。雖然有各種CAD、CAE系統(tǒng),如:AutoCAD、ANSYS、I-deas等,但由于它們不是專門針對(duì)天線設(shè)計(jì)的,其操作相當(dāng)復(fù)雜,需要經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員。
調(diào)查表明,雖然企業(yè)普遍購(gòu)買了CAE軟件,但應(yīng)用的情況并不理想。主要原因是:有限元建模分析需要設(shè)計(jì)者具有相當(dāng)深厚的力學(xué)基礎(chǔ)、很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),往往只有少數(shù)人能夠使用這些軟件解決工程問(wèn)題。實(shí)際工作中,需要一種面向面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元快速建模軟件。設(shè)計(jì)者只需輸入一些基本的控制參數(shù),便可得到典型結(jié)構(gòu)的有限元建模方案,幫助設(shè)計(jì)者快速建立合理的有限元模型,得到正確可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。
因此,開(kāi)發(fā)專門針對(duì)拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的虛擬制造平臺(tái)具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明,在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段使用有限元分析最為有效,在樣機(jī)生成之前用其檢驗(yàn)最終設(shè)計(jì)也同樣有效,如圖1所示。
大型有限元分析程序ANSYS作為優(yōu)秀的CAE軟件,提供了與各種CAD軟件的接口,并可方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),作為面天線的仿真平臺(tái)無(wú)疑是一個(gè)很好的選擇。
2拋物面天線的設(shè)計(jì)
拋物面天線結(jié)構(gòu)一般由中心體、背架、反射面、加強(qiáng)筋等組成。整個(gè)天線結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,適合參數(shù)化造型。拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求就是使天線結(jié)構(gòu)在各種風(fēng)載荷和重力載荷的作用下不被破壞,其反射面精度(即反射面保持理論拋物面的程度)達(dá)到所提出的指標(biāo)要求,從而保證天線的工作性能。在此前提下,盡量合理地選擇結(jié)構(gòu)形式,材料規(guī)格,使天線結(jié)構(gòu)重量輕,耗材料,造價(jià)低。
根據(jù)拋物面天線結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的特點(diǎn),利用ANSYS軟件強(qiáng)大的前處理功能,可以方便快速地建立天線結(jié)構(gòu)的分析模型,顯著提高天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力和效率,提高面天線的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,改進(jìn)產(chǎn)品性能。天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后,按照規(guī)定,應(yīng)該對(duì)天線的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)的范圍包括結(jié)構(gòu)重量、尺寸、震動(dòng)頻率、慣性力、結(jié)構(gòu)剛度(變形)和強(qiáng)度(失效)、是否可以滿足電性能指標(biāo)等。
天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本目標(biāo),是設(shè)計(jì)出能夠確保天線性能指標(biāo)(例如電效率)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。一些相對(duì)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu),例如重量輕、尺寸小等等,常常能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程也應(yīng)當(dāng)是一個(gè)不斷尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度講,天線背架的結(jié)構(gòu)類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、截面形狀、尺寸等因素都會(huì)影響天線的性能指標(biāo)。天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括了結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。ANSYS本身包含優(yōu)化模塊,提供兩種優(yōu)化方法,可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。?
3CAE平臺(tái)ANSYS
ANSYS有限元分析軟件是世界上著名的大型通用有限元計(jì)算軟件,包括熱、電、磁、流體和結(jié)構(gòu)等諸多模塊,具有強(qiáng)大的求解器和前、后處理功能,內(nèi)置有百余種單元類型。強(qiáng)大的求解功能幾乎可對(duì)各種情況進(jìn)行建模求解,為我們解決復(fù)雜、龐大的工程項(xiàng)目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個(gè)良好的工作環(huán)境。ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能,同時(shí)也為用戶自己進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)提供了友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。
ANSYS也是一優(yōu)秀的開(kāi)放式有限元分析軟件,提供專門語(yǔ)言APDL(ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言)可方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程包括定義模型及載荷、求解和解釋結(jié)構(gòu),APDL可用智能分析的手段自動(dòng)完成上述過(guò)程。APDL接近程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,具有標(biāo)量變量、數(shù)組變量、表達(dá)式和函數(shù)、分支和循環(huán)、用戶程序等應(yīng)用對(duì)象,易于進(jìn)行開(kāi)發(fā),是ANSYS二次開(kāi)發(fā)最重要的工具。
ANSYS的后處理功能及報(bào)告生成器能用于獲取求解分析過(guò)程中的信息,可以通過(guò)GUI或在批處理過(guò)程中調(diào)用,允許獲得的信息包括圖片、動(dòng)畫、表格以及輸出信息等,并能自動(dòng)組裝成HTML格式的報(bào)告文件。
同時(shí),ANSYS內(nèi)置有完善的優(yōu)化功能,可處理絕大多數(shù)工程問(wèn)題。這表明ANSY是一個(gè)很理想的CAE開(kāi)發(fā)平臺(tái)。?
4拋物面天線的建模仿真
總結(jié)拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的共性技術(shù)問(wèn)題及其解決方案,以此為基礎(chǔ)便可建立適用于面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的虛擬制造平臺(tái)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重交互性與自動(dòng)性并重,應(yīng)用該平臺(tái)能方便快速地對(duì)拋物面天線進(jìn)行建模仿真,必將加快天線的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),降低開(kāi)發(fā)成本。
天線建模仿真的基本流程如圖2所示,首先在用戶整體控制下形成一個(gè)典型的三維天線模型,用戶能在此模型的基礎(chǔ)上方便地進(jìn)行局部修改,當(dāng)用戶修改滿意后,便可進(jìn)入有限元分析模塊,對(duì)模型進(jìn)行各種有限元分析,評(píng)估天線性能,在此模塊中也可對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。?
4.1面天線參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)
面天線參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)用于快速建立拋物面天線的整體模型,系統(tǒng)流程如圖3,用戶在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修改即可滿足實(shí)際的需要。?
該系統(tǒng)可從整體上方便地控制天線的結(jié)構(gòu),包括反射面形狀、骨架、對(duì)反射面進(jìn)行自動(dòng)分塊,由輻射梁、環(huán)梁及副梁信息自動(dòng)生成背架,以及生成反射面與骨架的連接等。從而形成拋物面天線的雛形,構(gòu)成了用戶操作的基礎(chǔ)。利用ANSYS強(qiáng)大的交互功能,可此三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作,修改模型。?
4.2局部結(jié)構(gòu)的調(diào)整
ANSYS是交互性很好的CAE軟件,用戶在此三維模型的基礎(chǔ)上,可直接利用ANSYS內(nèi)置的交互功能修改模型,亦可編寫一些常用的宏對(duì)拋物面或背架進(jìn)行修改,如重新指定材料類型等,如圖4。圖5是一個(gè)10m天線模型(只顯示了背架)。當(dāng)用戶修改滿意后便可進(jìn)入有限元分析模塊,對(duì)當(dāng)前模型進(jìn)行求解。?
4.3有限元分析模塊
ANSYS可對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分,而且劃分后不滿意,可重新進(jìn)行劃分,故能方便地由實(shí)體模型得到線框模型。網(wǎng)格劃分后可進(jìn)行各種分析,處理分析結(jié)果,分析流程如圖6。?
ANSYS強(qiáng)大的分析求解器能進(jìn)行各種形式的分析,滿足天線設(shè)計(jì)的需要,主要包括:?
4.3.1結(jié)構(gòu)靜力分析
可對(duì)天線在各種指向的情況下進(jìn)行靜重力分析,得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形、變形的均方根值,也可以同時(shí)得到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、約束反力等數(shù)據(jù)。它們都是天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。?
4.3.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析
利用ANSYS的瞬態(tài)分析功能可針對(duì)各種變載荷進(jìn)行分析,可針對(duì)天線在風(fēng)力、基礎(chǔ)隨機(jī)振動(dòng)、沖擊等作用下的響應(yīng)進(jìn)行求解。還可進(jìn)行模態(tài)分析,得到結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型,進(jìn)行諧響應(yīng)分析,快速得到結(jié)構(gòu)在正弦力作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。它們也是天線設(shè)計(jì)中不可缺少的參數(shù)。?
4.3.3熱分析
熱分析歸結(jié)為ANSYS的靜力分析,ANSYS本身能方便地進(jìn)行各種熱分析?？舍槍?duì)天線由于制造溫度與室外溫度的不同或由于陽(yáng)光照射造成陰陽(yáng)面的溫差而產(chǎn)生的變形進(jìn)行分析。
當(dāng)有限元分析完成后便可進(jìn)入后處理模塊查看結(jié)果。?
4.3.4后處理模塊
ANSYS具有優(yōu)秀的后處理功能,有通用后處理器Post1和時(shí)間歷經(jīng)后處理器Post26兩個(gè)后處理器,能以數(shù)據(jù)列表、圖形和動(dòng)畫的形式簡(jiǎn)單形象地查看結(jié)果。
新版ANSYS的報(bào)告生成器能獲取求解分析過(guò)程中的信息,允許獲得的信息包括圖片、動(dòng)畫、表格以及輸出信息等,并自動(dòng)組裝成HTML格式的報(bào)告文件。
ANSYS后處理中的矩陣運(yùn)算功能,使均方根值的計(jì)算變得非常簡(jiǎn)便快捷。TABLE型的矩陣具有內(nèi)置的線性插值功能,可方便地對(duì)拋物面上任意點(diǎn)的變形進(jìn)行插值。每一次計(jì)算之后,我們均能迅速得到天線結(jié)構(gòu)的各種參數(shù),從而判斷設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能否滿足要求。
4.3.5ANSYS中的優(yōu)化處理
優(yōu)化設(shè)計(jì)能找出一種最優(yōu)或次最優(yōu)方案,提供一個(gè)高效率的模型。ANSYS應(yīng)用程序提供了兩種優(yōu)化方法,零階方法是一個(gè)很完善的處理方法,能有效處理大多數(shù)的工程問(wèn)題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度,更適合精確的優(yōu)化分析。對(duì)這兩種方法,ANSYS提供一系列的分析——評(píng)估——修正的循環(huán)過(guò)程,可重復(fù)直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。
ANSYS提供的功能滿足了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各種需求,可方便地開(kāi)發(fā)出針對(duì)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)。
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