天線的CAE技術應用

2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

以18m天線為例,介紹了利用MSC.Patran/Nastran有限元分析軟件進行數(shù)字化建模的過程,給出了天線載荷的計算方法,并根據(jù)系統(tǒng)仿真給出的分析結果,論證了設計方案的可行性。介紹了利用proe軟件進行3D實體建模,根據(jù)其參數(shù)式設計概念和全相關性進行結構設計的過程。闡述了CAE軟件將在天線結構設計中發(fā)揮的重要作用。

0 引言

在各種電子專用設備中,天線的結構較為復雜且形式多樣。隨著現(xiàn)代化技術的飛速發(fā)展,天線被廣泛應用于通信、雷達及射電天文等領域。對于結構趨于大型化、復雜化的天線系統(tǒng),對設計師提出了更高的要求。大型天線載荷工況復雜,其自身重力及環(huán)境載荷對天線的影響很大,加大了設計難度,靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計幾乎是不可能的。同時,結構的安全性和可靠性無法在項目建成后再用實驗方法來測試和驗證,只有在設計方案階段通過做大量的計算分析和模擬試驗來獲得。隨著計算機技術和數(shù)值計算理論的發(fā)展,借助CAE技術使得這些大型天線的系統(tǒng)仿真和結構分析成為可能。CAE技術是在三維實體建模的基礎上,從產(chǎn)品的方案設計階段開始,按照實際使用的條件進行仿真和結構分析,按照性能要求進行設計和綜合評價,以便從多個設計方案中選擇最佳方案。筆者在天線結構設計中選用的CAE技術軟件有Patran/Nastran有限元分析軟件、proeNGINEER實體造型軟件等。

Patran/Nastran是MSC公司推出的世界上應用最為廣泛的大型通用結構有限元分析軟件,在全球各個工業(yè)領域得到成功應用,并已成為公認的工業(yè)工程分析和校驗的有限元分析標準。proeNGINEER(簡稱proe)是美國參數(shù)技術公司推出的功能極為強大的三維實體造型結構設計軟件,廣泛應用于機械、模具、汽車和航空航天等領域。本文將以18 m天線為例,介紹2個CAE軟件在天線結構設計中的應用。

1 利用有限元分析軟件進行系統(tǒng)仿真

1.1 問題提出

18 m天線結構是一種高精度的機械結構,它的最終目的是保證其電氣性能要求。而實際上,由于天線將收到自重和風荷等外載的作用,天線表面必然偏離其理想設計形狀,因此也就必然會影響其電氣性能。這種天線表面誤差對電氣性能的影響按Ruze公式可定量地描述為:

式中,ηs為天線增益下降系數(shù);G0為無表面誤差時天線的增益;G為有表面誤差時的增益;δ為天線表面各點半光程差的均方根值(rms);λ為波長。

采用分貝來表示增益下降系數(shù),式(1)可寫成:

由式(1),(2)可見,隨著表面誤差的增大,天線增益將明顯下降。因此,對于天線表面誤差的分析計算是必要的。

    1.2 數(shù)字化建模

以18 m天線反射體為例,分析其組成部分在模型中的模擬方法。18 m天線反射體由中心體、反射體骨架、反射面、調(diào)整螺栓和副反射體5部分組成。

①中心體是內(nèi)部帶加強筋的箱體結構,按殼單元處理,其與座架連接的厚鋼板也處理為殼單元;

②反射體骨架由輻射梁、環(huán)向拉桿和斜向拉桿等組成。環(huán)向拉桿處理為桿單元,其余處理為梁單元;

③反射面由112塊面板組成。反射面板由2 mm厚的鋁板拉伸而成,是典型的殼單元;為了提高反射面的剛度,在其背面布有Z型鋁型材加強筋,該加強筋通過密集的鉚釘和反射面板進行鉚接,它不但承受軸向力,而且還承受彎距,所以將其視為梁單元;

④調(diào)整螺栓安裝在輻射梁和反射面之間,用來調(diào)整反射面的位置。每塊反射面板使用了6枚M16的調(diào)整螺栓,它不但承受軸向力,而且還承受彎距,故將其視為梁單元;

⑤副反射體的支撐為薄臂橢圓管,處理為梁單元。

    將以上5部分合在一起,劃分網(wǎng)格后,生成18 m天線反射體的整體有限元模型圖,如圖1所示。

天線的CAE技術應用+應用技術圖片圖片3

    1.3 載荷計算

18 m天線工作時受到的外載荷主要有自重和風載荷。

①自重載荷。把結構離散成有限元模型后,設計不同方向的重力加速度,自重載荷將自動加上;

②風載荷。風載荷由以下公式計算:

    風力:F=CFqA;

    風力距:M = CMqAD。

式中,CF, CM分別為風力和風力距系數(shù);q為動壓頭,q=/16, V為風速;A,D分別為18 m天線口徑面積和直徑。

1.4 靜力分析

在數(shù)字化建模的基礎上,選擇了4種工況進行了分析,分析結果如表1所示。

天線的CAE技術應用+應用技術圖片圖片5

1.5 天線反射面精度論證

天線反射面的精度是以反射面上測量點的法向誤差均方根值(rms)來表述的。這一誤差由以下3方面產(chǎn)生:

①反射面單元的加工誤差σ1,其中包含了面板驗收時的檢測誤差;

②反射面單元的安裝時測量系統(tǒng)誤差σ2;

③結構在載荷作用下引起的變形誤差σ3,是由于天線在不同工況下,天線自重變形引起的反射面的調(diào)整點變形誤差。在調(diào)整點變形的影響下,反射面在原有精度的基礎上進一步變形,從而使精度變差。

按照誤差合成式(3)可計算反射面的精度為:

    式中,表示各誤差的均方根值;表示相關系數(shù),因為各誤差產(chǎn)生不同,所以相關系數(shù)取0。

    表2給出了天線在自重及20.7級風正向下的計算變形σ3及天線反射面變形。

天線的CAE技術應用+培訓教程圖片9

利用結構分析獲得的數(shù)據(jù)可以看出,天線的最大變形和應力滿足指標要求,天線反射面變形在自重和20.7 m/,風速情況下滿足指標要求。可以得出結論,本設計方案是可行的。

2 利用proe軟件進行天線結構設計

proe軟件以其強大的三維實體造型功能可迅速使產(chǎn)品從概念化形成“數(shù)字化”產(chǎn)品。下面也以18 m天線反射體(圖2)為例,介紹proe軟件在天線結構設計中的應用。

天線的CAE技術應用+培訓教程圖片10

    2.1利用proe軟件繪制天線反射面

天線的反射面母線較為復雜,一般為多次曲線或賦形曲線。利用proe軟件曲線的方程或文件讀入功能就可以方便準確地建立曲線,然后曲線繞其中心軸旋轉建立實體,形成發(fā)射面。proe軟件中由數(shù)學方程式產(chǎn)生曲線的具體步驟是:曲線類型一選擇方程模式(From Equation)—選擇坐標系(以缺省方式生成笛卡兒系Cartesian)—在編輯窗口中輸人數(shù)學方程式,存盤、完成。

假設天線母線為標準拋物線,在編輯窗口中,數(shù)學方程式為參數(shù)方程式,具體如下:

    x=a+(b-a)xt,

    y=[a+(b-a)xt]x[a+(b-a)xt]/(4xf),

    z=0。

式中,t為軟件系統(tǒng)驅(qū)動參數(shù),其范圍從0~1;f為天線焦距;a,b分別為一段拋物線在x方向的最小、最大值。

18 m天線反射面的母線不是標準曲線,而是電氣工程師經(jīng)過計算給出的卡氏賦形曲線,用Word文檔給出。proe軟件中曲線可以通過讀人后綴為.idl的文件建立,但不能讀Word文檔。這里給大家提供一種利用Word文檔繪制proe軟件曲線的小技巧,具體步驟是:曲線類型~選擇文件模式(From File )~打開一任意后綴為.idl的空文件~將Word文檔中的數(shù)據(jù)剪切后粘貼進去~保存~完成,即得所需賦形曲線,曲線繞中心軸旋轉設計所需角度即得賦形曲線面。

18 m天線反射體面板共分4環(huán),因此,母線也分為4段。根據(jù)不同段的賦形曲線旋轉相應的角度,并加以厚度形成實體,便得到設計的相應環(huán)的天線反射面。

    建立天線反射面后,在其背部還要設計背筋和與輻射梁相連的板件。由于篇幅關系,具體設計這里不再詳述。

2.2根據(jù)參數(shù)式設計概念進行天線結構設計

18 m天線的反射體骨架為空間網(wǎng)狀琦架結構,沿圓周方向分為16片主輻射梁和16片副輻射梁,輻射梁為桿件與球接頭焊接而成,各片輻射梁之間通過環(huán)向、斜向空間拉桿連接,是整個天線系統(tǒng)中最為復雜的部分。如果采用過去的二維設計方法或數(shù)學計算設計它們的結構尺寸和連接方式相當繁瑣,且容易出錯。采用proe軟件,這些難題就會迎刃而解。首先以輻射梁的連接桿和球接頭的尺寸為參數(shù),建立輻射梁的實體造型,通過輻射梁繞天線中心軸旋轉復制便得到天線反射體的輻射梁骨架。在骨架之間,可根據(jù)力學分析的需要進行連接桿的結構設計。這些連接桿的尺寸可通過3D模型向2D工程圖的轉換而得到,也可利用proe軟件的測量功能進行空間測量而精確得到。proe軟件的參數(shù)式設計還可以幫助工程師從多種方案中規(guī)劃出最優(yōu)方案,如果給輻射梁的桿件尺寸和球接頭直徑以不同值,便得到一種設計方案,對不同的方案進行比較分析,再利用Pro/MECHANICA,可以直接對實體零件模型進行有限元分析。由于其參數(shù)化工具優(yōu)點,從而方便快捷地進行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設計,從而選擇最佳方案優(yōu)化自己的設計。運用proe軟件的分析功能,可以很方便地得到18 m天線系統(tǒng)的各個物理量如質(zhì)量、質(zhì)心及轉動慣量等,這些物理參數(shù)在結構設計中是必不可少的;另外,還可以利用proe軟件廣泛的接口功能,將數(shù)據(jù)轉換到結構動力分析軟件(如Adams)進行分析和仿真,從而快捷準確地獲得支反力、加速度和加速力矩等參數(shù)。

    2.3 繪制二維工程圖與編制文件資料

proe軟件的設計理念是從3D實體模型產(chǎn)生2D工程圖,并且自動標注相關尺寸。當產(chǎn)品的3D實體模型最佳設計方案完成后,其2D工程圖就會很方便地生成。利用proe軟件的全相關性,不論設計者在任何時候?qū)?D實體模型進行尺寸修改,其變化都會傳送到整個設計中,并自動更新所有的工程文件。

    proe軟件可生成后綴為.jpg格式的圖片,還有爆炸視圖和自動演示等功能,可編制方便易懂的文件資料。

3 結束語

利用CAE軟件,可以在產(chǎn)品研制的初期,進行有限元建模和3D實體建模,實現(xiàn)由概念設計到生成“數(shù)字化”產(chǎn)品的設計過程。通過有限元模型進行力學分析和結構設計,從多種方案中規(guī)劃化最佳方案,從而實現(xiàn)優(yōu)化設計;通過產(chǎn)品的3D實體造型,根據(jù)其參數(shù)式設計概念和全相關性可以完善結構設計,快捷準確地得到“數(shù)字化”產(chǎn)品相關的物理量,并迅速完成工程圖;通過CAE軟件對其未來的運行狀態(tài)進行模擬,可以及早地發(fā)現(xiàn)設計計算中的缺陷,并證實未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性?！肮び破涫?必先利其器?！闭莆誄AE軟件,可以使結構設計工作達到事半功倍的效果。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展,相信CAE技術將在天線結構設計中發(fā)揮越來越重要的作用。

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