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2013-08-10 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓中心 來源:仿真在線
ANSYS的天線結構CAE平臺的開發(fā)
1引言
天線廣泛應用于通信、雷達、電子對抗等領域,在國防應用中更是必不可少,但目前由于沒有專用于天線設計的應用程序而使天線的設計效率大為降低。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天線設計的,其操作相當復雜,需要經(jīng)驗豐富的技術人員。
調(diào)查表明,雖然企業(yè)普遍購買了CAE軟件,但應用的情況并不理想。主要原因是:有限元建模分析需要設計者具有相當深厚的力學基礎、很強的計算機應用能力和豐富的工程設計經(jīng)驗,往往只有少數(shù)人能夠使用這些軟件解決工程問題。實際工作中,需要一種面向面天線結構設計的有限元快速建模軟件。設計者只需輸入一些基本的控制參數(shù),便可得到典型結構的有限元建模方案,幫助設計者快速建立合理的有限元模型,得到正確可靠的評價結果。
因此,開發(fā)專門針對拋物面天線結構設計的虛擬制造平臺具有廣闊的應用前景。實際經(jīng)驗表明,在產(chǎn)品概念設計階段使用有限元分析最為有效,在樣機生成之前用其檢驗最終設計也同樣有效,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,并可方便地進行二次開發(fā),作為面天線的仿真平臺無疑是一個很好的選擇。
2拋物面天線的設計
拋物面天線結構一般由中心體、背架、反射面、加強筋等組成。整個天線結構呈現(xiàn)旋轉對稱性,適合參數(shù)化造型。拋物面天線結構設計的要求就是使天線結構在各種風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)達到所提出的指標要求,從而保證天線的工作性能。在此前提下,盡量合理地選擇結構形式,材料規(guī)格,使天線結構重量輕,耗材料,造價低。
根據(jù)拋物面天線結構旋轉對稱的特點,利用ANSYS軟件強大的前處理功能,可以方便快速地建立天線結構的分析模型,顯著提高天線結構設計的能力和效率,提高面天線的創(chuàng)新設計能力,改進產(chǎn)品性能。天線結構設計完成以后,按照規(guī)定,應該對天線的結構性能進行預測,預測的范圍包括結構重量、尺寸、震動頻率、慣性力、結構剛度(變形)和強度(失效)、是否可以滿足電性能指標等。
天線結構設計的根本目標,是設計出能夠確保天線性能指標(例如電效率)的機械結構。一些相對優(yōu)秀的結構,例如重量輕、尺寸小等等,常常能帶來巨大的經(jīng)濟效益。結構設計的過程也應當是一個不斷尋找最優(yōu)結構的過程。從結構設計的角度講,天線背架的結構類型、拓撲結構、截面形狀、尺寸等因素都會影響天線的性能指標。天線結構優(yōu)化包括了結構類型優(yōu)化、拓撲優(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)化問題。?
3CAE平臺ANSYS
ANSYS有限元分析軟件是世界上著名的大型通用有限元計算軟件,包括熱、電、磁、流體和結構等諸多模塊,具有強大的求解器和前、后處理功能,內(nèi)置有百余種單元類型。強大的求解功能幾乎可對各種情況進行建模求解,為我們解決復雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關提供了一個良好的工作環(huán)境。ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能,同時也為用戶自己進行二次開發(fā)提供了友好的開發(fā)環(huán)境。
ANSYS也是一優(yōu)秀的開放式有限元分析軟件,提供專門語言APDL(ANSYS參數(shù)化設計語言)可方便地進行二次開發(fā)。有限元分析的標準過程包括定義模型及載荷、求解和解釋結構,APDL可用智能分析的手段自動完成上述過程。APDL接近程序設計語言,具有標量變量、數(shù)組變量、表達式和函數(shù)、分支和循環(huán)、用戶程序等應用對象,易于進行開發(fā),是ANSYS二次開發(fā)最重要的工具。
ANSYS的后處理功能及報告生成器能用于獲取求解分析過程中的信息,可以通過GUI或在批處理過程中調(diào)用,允許獲得的信息包括圖片、動畫、表格以及輸出信息等,并能自動組裝成HTML格式的報告文件。
同時,ANSYS內(nèi)置有完善的優(yōu)化功能,可處理絕大多數(shù)工程問題。這表明ANSY是一個很理想的CAE開發(fā)平臺。?
4拋物面天線的建模仿真
總結拋物面天線結構設計中的共性技術問題及其解決方案,以此為基礎便可建立適用于面天線結構設計的虛擬制造平臺。在設計時應注重交互性與自動性并重,應用該平臺能方便快速地對拋物面天線進行建模仿真,必將加快天線的開發(fā)設計,降低開發(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典型的三維天線模型,用戶能在此模型的基礎上方便地進行局部修改,當用戶修改滿意后,便可進入有限元分析模塊,對模型進行各種有限元分析,評估天線性能,在此模塊中也可對天線結構進行優(yōu)化。?
4.1面天線參數(shù)化設計系統(tǒng)
面天線參數(shù)化設計系統(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,用戶在此模型基礎上進行修改即可滿足實際的需要。?
該系統(tǒng)可從整體上方便地控制天線的結構,包括反射面形狀、骨架、對反射面進行自動分塊,由輻射梁、環(huán)梁及副梁信息自動生成背架,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,構成了用戶操作的基礎。利用ANSYS強大的交互功能,可此三維模型的基礎上進行操作,修改模型。?
4.2局部結構的調(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拋物面或背架進行修改,如重新指定材料類型等,如圖4。圖5是一個10m天線模型(只顯示了背架)。當用戶修改滿意后便可進入有限元分析模塊,對當前模型進行求解。?
4.3有限元分析模塊
ANSYS可對實體模型進行自動網(wǎng)格劃分,而且劃分后不滿意,可重新進行劃分,故能方便地由實體模型得到線框模型。網(wǎng)格劃分后可進行各種分析,處理分析結果,分析流程如圖6。?
ANSYS強大的分析求解器能進行各種形式的分析,滿足天線設計的需要,主要包括:?
4.3.1結構靜力分析
可對天線在各種指向的情況下進行靜重力分析,得到結構的應力、變形、變形的均方根值,也可以同時得到結構的質量、質心、轉動慣量、約束反力等數(shù)據(jù)。它們都是天線結構設計中的重要參數(shù)。?
4.3.2結構動力分析
利用ANSYS的瞬態(tài)分析功能可針對各種變載荷進行分析,可針對天線在風力、基礎隨機振動、沖擊等作用下的響應進行求解。還可進行模態(tài)分析,得到結構的固有頻率與振型,進行諧響應分析,快速得到結構在正弦力作用下的穩(wěn)態(tài)響應。它們也是天線設計中不可缺少的參數(shù)。?
4.3.3熱分析
熱分析歸結為ANSYS的靜力分析,ANSYS本身能方便地進行各種熱分析。可針對天線由于制造溫度與室外溫度的不同或由于陽光照射造成陰陽面的溫差而產(chǎn)生的變形進行分析。
當有限元分析完成后便可進入后處理模塊查看結果。?
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和時間歷經(jīng)后處理器Post26兩個后處理器,能以數(shù)據(jù)列表、圖形和動畫的形式簡單形象地查看結果。
新版ANSYS的報告生成器能獲取求解分析過程中的信息,允許獲得的信息包括圖片、動畫、表格以及輸出信息等,并自動組裝成HTML格式的報告文件。
ANSYS后處理中的矩陣運算功能,使均方根值的計算變得非常簡便快捷。TABLE型的矩陣具有內(nèi)置的線性插值功能,可方便地對拋物面上任意點的變形進行插值。每一次計算之后,我們均能迅速得到天線結構的各種參數(shù),從而判斷設計的結構能否滿足要求。
4.3.5ANSYS中的優(yōu)化處理
優(yōu)化設計能找出一種最優(yōu)或次最優(yōu)方案,提供一個高效率的模型。ANSYS應用程序提供了兩種優(yōu)化方法,零階方法是一個很完善的處理方法,能有效處理大多數(shù)的工程問題。一階方法基于目標函數(shù)對設計變量的敏感程度,更適合精確的優(yōu)化分析。對這兩種方法,ANSYS提供一系列的分析——評估——修正的循環(huán)過程,可重復直到所有的設計要求都滿足為止。
ANSYS提供的功能滿足了天線結構設計中的各種需求,可方便地開發(fā)出針對天線結構設計的仿真平臺。
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