proe和ANSYS軟件在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用

2013-08-09 by:廣州CAE有限元應(yīng)用中心來源:有限元分析培訓(xùn)中心

1 引言
天線是衛(wèi)星通信中發(fā)射和接收微波信號的主要設(shè)備。隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展,天線的應(yīng)用也已迅速推廣。對于天線結(jié)構(gòu)而言,合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該確保在各種環(huán)境下,使天線精確地保持形狀和姿態(tài)。目前,天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析已自成體系,其中關(guān)鍵部分就是設(shè)計(jì)模型的建立及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的剛強(qiáng)度分析和變形的計(jì)算。以往多采用經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)材料力學(xué)簡化計(jì)算相結(jié)合的方法,但這一方法在很大程度上取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),并且往往使設(shè)計(jì)偏于保守,致使產(chǎn)品重量大,成本高,尤其在當(dāng)前客戶要求越來越多樣化的情況下,已不能適應(yīng)瞬息萬變的市場要求。

隨著各種先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的推廣應(yīng)用,采用功能強(qiáng)大的CAD及CAE軟件對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析已成為可能,從而可以大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。目前先進(jìn)的CAD軟件proeNGINEER可直接進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì),其強(qiáng)大的特征(Feature)建模技術(shù)可以迅速捕捉對象,生成產(chǎn)品幾何模型,并能對建立的實(shí)體模型自動進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分,將劃分好的模型輸出到有限元分析軟件。而ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體和電磁于一體的大型通用有限元分析軟件,提供了有限元計(jì)算的優(yōu)異分析功能,可獲得良好的計(jì)算精度,并且可與proeNGINEER集成在一起。

本文在總結(jié)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,介紹了如何運(yùn)用上述兩種軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模和分析的一般步驟,提出了有限元分析模型建立的一些方法。

2 結(jié)構(gòu)建模和分析的基本步驟
天線結(jié)構(gòu)的分析屬于固體力學(xué)問題,通常采用有限元法進(jìn)行計(jì)算。一般來說,天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析是由以下幾步組成的。

    (1)建立設(shè)計(jì)模型。
    (2)結(jié)構(gòu)離散化,進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。
    (3)建立邊界條件,施加約束。
    (4)計(jì)算節(jié)點(diǎn)載荷。
    (5)組成整體剛陣,求解有限元方程。
    (6)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理、分析。

上述步驟中的(1)、(2)、(3)、(4)稱為有限元分析的前處理,步驟(6)稱為有限元分析的后處理。關(guān)于固體力學(xué)的有限元法已有很多專著作了詳細(xì)的分析,這里不再一一贅述?，F(xiàn)主要對如何在proeNGINEER和ANSYS兩種軟件環(huán)境中進(jìn)行具體操作進(jìn)行概述:首先在proeNGINEER中建立實(shí)體模型,并輸入材料特性,主要包括彈性模量、泊松比和密度等,注意單位的選取必須與在ANSYS中相同,否則將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)數(shù)量級的偏差。然后在Pro/Mesh模塊中進(jìn)行有限元網(wǎng)絡(luò)的劃分,確定坐標(biāo)系,施加載荷及約束,定義分析名稱,從而建立分析模型。運(yùn)行(Run)分析,從中選擇ANSYS作為解算器,生成一個(gè)名為*.ans的文件(也可選用后臺直接運(yùn)行等),這樣就可以在proeNGINEER中完成計(jì)算中所有的前處理過程。最后的計(jì)算及后處理在ANSYS中完成。進(jìn)入ANSYS后,讀入(Read input)前面生成的*.ans文件,此時(shí)可以檢查在proeNGINEER中定義的材料特性、載荷及約束等是否有誤,無誤則可直接進(jìn)行計(jì)算(Solve),并用后處理器(General Postprocessor)查看計(jì)算結(jié)果。圖1所示為一個(gè)天線座架的應(yīng)力分布圖。

3 用proeNGINEER建立模型的方法
對于類似天線結(jié)構(gòu)這樣空間尺寸繁多的產(chǎn)品,通過proeNGINEER強(qiáng)大的造型功能夠迅速建立實(shí)體模型,并且修改很方便。借助Pro/Mesh模塊提供的有限元網(wǎng)格劃分功能,可將模型劃分為實(shí)體(Solid)、板殼(Shell)或梁(Beam)等單元,并在此基礎(chǔ)上添加約束和載荷,最終傳遞給有限元分析模塊Pro/mechanic或其他分析軟件,如ANSYS等進(jìn)行計(jì)算。

隨著近年來三維設(shè)計(jì)軟件的迅速推廣,迅速地建立實(shí)體模型已不是什么難事,問題是如何使模型直接轉(zhuǎn)化為正確的分析模型,下面就談?wù)動胮roeNGINEER建模時(shí)常采用的一些方法。

3.1 簡化模型
簡化模型是指忽略零件(Part)或裝配(Assembly)中的細(xì)節(jié)。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)往往是復(fù)雜的,如果完全按實(shí)物建立有限元模型,實(shí)際上是不必要的,有時(shí)甚至是不可能的。因此,在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分前,常常將零部件上的一些細(xì)節(jié)特征做壓縮(Suppress)處理。在壓縮這些特征之前,必須注意以下幾點(diǎn)。

    (1)壓縮特征是否會改變分析模型的特性。換句話說,就是看特征是保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須的基本特征還是僅為修飾特征(Cosmetic),我們需要壓縮的是修飾特征。這些特征一般包括圓角(Round)、棱角(Chamfer)、小的槽 (Groove)和定位孔等。切忌在進(jìn)行所有的分析之前都要考慮特征的壓縮。另外,對于模態(tài)分析(Modal)或熱分析(Thermal)、可以壓縮的特征也許并不適用于強(qiáng)度分析(Structural),比如在模態(tài)分析中可以忽略那些能夠產(chǎn)生應(yīng)力集中的特征,并且不影響剛度,但在強(qiáng)度分析中就必須考慮這些因素。
    (2)壓縮特征是否會影響敏感度(Sensitivity)和優(yōu)化分析(Optimization)。如果分析目的是減少質(zhì)量,那么上面提到的修飾特征就會起到關(guān)鍵作用,一個(gè)圓角的半徑也許就是優(yōu)化參數(shù),雖然它只是一個(gè)修飾特征,但會顯著影響優(yōu)化分析過程。
    (3)壓縮特征時(shí)注意特征間的父子關(guān)系。如果被壓縮的特征是其他關(guān)鍵特征的父特征,那么就必須重新定義父子關(guān)系。

3.2 盡量采用板、梁單元
任何零部件都是三維的,但是當(dāng)某一個(gè)方向或某兩個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸時(shí),就可以簡化為板或桿,這種簡化稱之為減維。在proeNGINEER中如果采用實(shí)體單元,則劃分有限元網(wǎng)格所用的時(shí)間要比用板單元所用的時(shí)間多數(shù)十倍甚至更多,而對一些單元劃分比較小的復(fù)雜零部件,更有可能造成劃分失敗或計(jì)算溢出。因此在不影響計(jì)算精度的情況下,盡量采用板、梁單元是科學(xué)經(jīng)濟(jì)的方法。

3.3 實(shí)體模型
采用面(Surface)、薄壁(Thin Protrusions)、筋(Rib)等特征或Sheetmetal建立實(shí)體模型。前面提到用板單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分比用實(shí)體單元更快捷有效,這必須在建模初期就予以考慮,由于Pro/mesh模塊能自動抽取由薄壁、筋等特征的中性面(Midsurface)生成板單元,從而大大提高有限元網(wǎng)格劃分效率,所以應(yīng)在建模時(shí)應(yīng)多采用這些特征,不然就要在網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行人工操作,造成時(shí)間的浪費(fèi)。這里特別要注意的是在零件或裝配中,無論是等厚度還是變厚度,必須使特征或零件的中性面成為連在一起的整體,否則會造成單元中斷。對于零件中變厚度問題,可先將中性面作為第一個(gè)特征做出,然后再向兩個(gè)方向生成薄壁(Use Quilt-Both Side)即可。

3.4 控制單元的形態(tài)比
各種單元一般都有理想的形態(tài),如三角形單元的理想形態(tài)是等邊三角形,四邊形單元的理想形狀是正方形。但是實(shí)際上不可能都用理想形狀單元去離散形狀各異的結(jié)構(gòu),因此只有注意控制單元的形態(tài),盡量使劃分后的網(wǎng)格單元有較好的形態(tài),避免面積很小的尖角元或體積很小的薄元,以提高計(jì)算精度。在proeNGINEER中,可在配置文件Pro.config中通過對Fem_asp_ratio、Fem_edge_angle和Fem_taper等變量的修改來控制單元的質(zhì)量。

3.5 合理規(guī)劃有限元網(wǎng)絡(luò)的布局
根據(jù)誤差分析,應(yīng)力的誤差與單元的尺寸成正比,位移的誤差與單元的平方成正比。由此可見,單元劃分得越小,計(jì)算結(jié)果精度越高;但另一方面,單元數(shù)越多,計(jì)算工作量也就越大。因此,必須根據(jù)精度要求確定網(wǎng)格的疏密。一般來說,在邊界曲率較大的部位,單元應(yīng)該小些,在邊界曲率比較平緩的部位,單元可大些。在Pro/Mesh中可通過Mesh Control對有限元網(wǎng)格疏密進(jìn)行控制。

下面結(jié)合一個(gè)實(shí)例來對上述方法做進(jìn)一步說明。圖2是一個(gè)微波喇叭,由于天線需長期工作在室外,所承受的主要載荷來自風(fēng)力,作為裸露在外的天線部件,喇叭必須能在強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下正常工作,變形不能超過許用值。首先在proeNGINEER中建立分析模型,從圖2可以看出,喇叭上有一些孔和倒角,這些特征是出于工藝性考慮,不影響結(jié)構(gòu)的受力狀況,為此可在建立分析模型將這些特征忽略,簡化后的模型如圖3所示。

在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí),考慮到板厚尺寸遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸,因此可將其按板單元進(jìn)行劃分。由于在創(chuàng)建實(shí)體時(shí)均使用薄壁特征(Thin),并控制了特征間的結(jié)合,所以可以直接通過自動檢查(Auto Detect)中性面而生成板單元。為了更準(zhǔn)確了解關(guān)鍵部位(中間法蘭)的應(yīng)力分布,可通過控制此處單元網(wǎng)格大小來得到更高的計(jì)算精度。對圖2模型最終共劃分了782個(gè)節(jié)點(diǎn)和767個(gè)四邊形單元,并輸入到ANSYS中,完成后的有限元分析模型如圖4所示,施加約束及載荷后,計(jì)算得出的變形如圖5所示。

proe和ANSYS軟件在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用ansys分析案例圖片1