proe和ANSYS軟件在天線結構設計分析中的應用

2013-08-09 by:廣州CAE有限元應用中心來源:有限元分析培訓中心

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備。隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展,天線的應用也已迅速推廣。對于天線結構而言,合理的設計應該確保在各種環(huán)境下,使天線精確地保持形狀和姿態(tài)。目前,天線的結構設計分析已自成體系,其中關鍵部分就是設計模型的建立及在此基礎上進行的剛強度分析和變形的計算。以往多采用經(jīng)驗類比設計與傳統(tǒng)材料力學簡化計算相結合的方法,但這一方法在很大程度上取決于設計人員的經(jīng)驗,并且往往使設計偏于保守,致使產(chǎn)品重量大,成本高,尤其在當前客戶要求越來越多樣化的情況下,已不能適應瞬息萬變的市場要求。

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

本文在總結天線結構設計經(jīng)驗的基礎上,介紹了如何運用上述兩種軟件對結構進行實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 結構建模和分析的基本步驟
天線結構的分析屬于固體力學問題,通常采用有限元法進行計算。一般來說,天線結構的設計分析是由以下幾步組成的。

    (1)建立設計模型。
    (2)結構離散化,進行有限元網(wǎng)格劃分。
    (3)建立邊界條件,施加約束。
    (4)計算節(jié)點載荷。
    (5)組成整體剛陣,求解有限元方程。
    (6)對計算結果進行整理、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。關于固體力學的有限元法已有很多專著作了詳細的分析,這里不再一一贅述。現(xiàn)主要對如何在proeNGINEER和ANSYS兩種軟件環(huán)境中進行具體操作進行概述:首先在proeNGINEER中建立實體模型,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,否則將導致計算結果出現(xiàn)數(shù)量級的偏差。然后在Pro/Mesh模塊中進行有限元網(wǎng)絡的劃分,確定坐標系,施加載荷及約束,定義分析名稱,從而建立分析模型。運行(Run)分析,從中選擇ANSYS作為解算器,生成一個名為*.ans的文件(也可選用后臺直接運行等),這樣就可以在proeNGINEER中完成計算中所有的前處理過程。最后的計算及后處理在ANSYS中完成。進入ANSYS后,讀入(Read input)前面生成的*.ans文件,此時可以檢查在proeNGINEER中定義的材料特性、載荷及約束等是否有誤,無誤則可直接進行計算(Solve),并用后處理器(General Postprocessor)查看計算結果。圖1所示為一個天線座架的應力分布圖。

3 用proeNGINEER建立模型的方法
對于類似天線結構這樣空間尺寸繁多的產(chǎn)品,通過proeNGINEER強大的造型功能夠迅速建立實體模型,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,可將模型劃分為實體(Solid)、板殼(Shell)或梁(Beam)等單元,并在此基礎上添加約束和載荷,最終傳遞給有限元分析模塊Pro/mechanic或其他分析軟件,如ANSYS等進行計算。

隨著近年來三維設計軟件的迅速推廣,迅速地建立實體模型已不是什么難事,問題是如何使模型直接轉化為正確的分析模型,下面就談談用proeNGINEER建模時常采用的一些方法。

3.1 簡化模型
簡化模型是指忽略零件(Part)或裝配(Assembly)中的細節(jié)。由于實際結構往往是復雜的,如果完全按實物建立有限元模型,實際上是不必要的,有時甚至是不可能的。因此,在進行有限元網(wǎng)格劃分前,常常將零部件上的一些細節(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。

    (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構強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)生應力集中的特征,并且不影響剛度,但在強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量,那么上面提到的修飾特征就會起到關鍵作用,一個圓角的半徑也許就是優(yōu)化參數(shù),雖然它只是一個修飾特征,但會顯著影響優(yōu)化分析過程。
    (3)壓縮特征時注意特征間的父子關系。如果被壓縮的特征是其他關鍵特征的父特征,那么就必須重新定義父子關系。

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

3.3 實體模型
采用面(Surface)、薄壁(Thin Protrusions)、筋(Rib)等特征或Sheetmetal建立實體模型。前面提到用板單元進行有限元網(wǎng)格劃分比用實體單元更快捷有效,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,所以應在建模時應多采用這些特征,不然就要在網(wǎng)格劃分時進行人工操作,造成時間的浪費。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特征做出,然后再向兩個方向生成薄壁(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。但是實際上不可能都用理想形狀單元去離散形狀各異的結構,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量。

3.5 合理規(guī)劃有限元網(wǎng)絡的布局
根據(jù)誤差分析,應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,計算結果精度越高;但另一方面,單元數(shù)越多,計算工作量也就越大。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)格疏密進行控制。

下面結合一個實例來對上述方法做進一步說明。圖2是一個微波喇叭,由于天線需長期工作在室外,所承受的主要載荷來自風力,作為裸露在外的天線部件,喇叭必須能在強風狀態(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,不影響結構的受力狀況,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。

在進行有限元網(wǎng)格劃分時,考慮到板厚尺寸遠小于其他方向的尺寸,因此可將其按板單元進行劃分。由于在創(chuàng)建實體時均使用薄壁特征(Thin),并控制了特征間的結合,所以可以直接通過自動檢查(Auto Detect)中性面而生成板單元。為了更準確了解關鍵部位(中間法蘭)的應力分布,可通過控制此處單元網(wǎng)格大小來得到更高的計算精度。對圖2模型最終共劃分了782個節(jié)點和767個四邊形單元,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,計算得出的變形如圖5所示。

proe和ANSYS軟件在天線結構設計分析中的應用ansys分析案例圖片1