天線的CAE技術(shù)應(yīng)用

2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)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(jìn)行數(shù)字化建模的過程,給出了天線載荷的計(jì)算方法,并根據(jù)系統(tǒng)仿真給出的分析結(jié)果,論證了設(shè)計(jì)方案的可行性。介紹了利用proe軟件進(jìn)行3D實(shí)體建模,根據(jù)其參數(shù)式設(shè)計(jì)概念和全相關(guān)性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程。闡述了CAE軟件將在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮的重要作用。

0 引言

在各種電子專用設(shè)備中,天線的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且形式多樣。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的飛速發(fā)展,天線被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)及射電天文等領(lǐng)域。對(duì)于結(jié)構(gòu)趨于大型化、復(fù)雜化的天線系統(tǒng),對(duì)設(shè)計(jì)師提出了更高的要求。大型天線載荷工況復(fù)雜,其自身重力及環(huán)境載荷對(duì)天線的影響很大,加大了設(shè)計(jì)難度,靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)幾乎是不可能的。同時(shí),結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性無(wú)法在項(xiàng)目建成后再用實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)試和驗(yàn)證,只有在設(shè)計(jì)方案階段通過做大量的計(jì)算分析和模擬試驗(yàn)來獲得。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展,借助CAE技術(shù)使得這些大型天線的系統(tǒng)仿真和結(jié)構(gòu)分析成為可能。CAE技術(shù)是在三維實(shí)體建模的基礎(chǔ)上,從產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)階段開始,按照實(shí)際使用的條件進(jìn)行仿真和結(jié)構(gòu)分析,按照性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和綜合評(píng)價(jià),以便從多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇最佳方案。筆者在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選用的CAE技術(shù)軟件有Patran/Nastran有限元分析軟件、proeNGINEER實(shí)體造型軟件等。

Patran/Nastran是MSC公司推出的世界上應(yīng)用最為廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,在全球各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用,并已成為公認(rèn)的工業(yè)工程分析和校驗(yàn)的有限元分析標(biāo)準(zhǔn)。proeNGINEER(簡(jiǎn)稱proe)是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司推出的功能極為強(qiáng)大的三維實(shí)體造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,廣泛應(yīng)用于機(jī)械、模具、汽車和航空航天等領(lǐng)域。本文將以18 m天線為例,介紹2個(gè)CAE軟件在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 利用有限元分析軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真

1.1 問題提出

18 m天線結(jié)構(gòu)是一種高精度的機(jī)械結(jié)構(gòu),它的最終目的是保證其電氣性能要求。而實(shí)際上,由于天線將收到自重和風(fēng)荷等外載的作用,天線表面必然偏離其理想設(shè)計(jì)形狀,因此也就必然會(huì)影響其電氣性能。這種天線表面誤差對(duì)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(wú)表面誤差時(shí)天線的增益;G為有表面誤差時(shí)的增益;δ為天線表面各點(diǎn)半光程差的均方根值(rms);λ為波長(zhǎng)。

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(duì)于天線表面誤差的分析計(jì)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(qiáng)筋的箱體結(jié)構(gòu),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?jiǎn)卧?

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(qiáng)筋,該加強(qiáng)筋通過密集的鉚釘和反射面板進(jìn)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?jiǎn)卧?

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?jiǎn)卧?

⑤副反射體的支撐為薄臂橢圓管,處理為梁?jiǎn)卧?BR>
    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(shù)應(yīng)用+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片3

    1.3 載荷計(jì)算

18 m天線工作時(shí)受到的外載荷主要有自重和風(fēng)載荷。

①自重載荷。把結(jié)構(gòu)離散成有限元模型后,設(shè)計(jì)不同方向的重力加速度,自重載荷將自動(dòng)加上;

②風(fēng)載荷。風(fēng)載荷由以下公式計(jì)算:

    風(fēng)力:F=CFqA;

    風(fēng)力距:M = CMqAD。

式中,CF, CM分別為風(fēng)力和風(fēng)力距系數(shù);q為動(dòng)壓頭,q=/16, V為風(fēng)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(chǔ)上,選擇了4種工況進(jìn)行了分析,分析結(jié)果如表1所示。

天線的CAE技術(shù)應(yīng)用+應(yīng)用技術(shù)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(cè)量點(diǎn)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(yàn)收時(shí)的檢測(cè)誤差;

②反射面單元的安裝時(shí)測(cè)量系統(tǒng)誤差σ2;

③結(jié)構(gòu)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(diǎn)變形誤差。在調(diào)整點(diǎn)變形的影響下,反射面在原有精度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步變形,從而使精度變差。

按照誤差合成式(3)可計(jì)算反射面的精度為:

    式中,表示各誤差的均方根值;表示相關(guān)系數(shù),因?yàn)楦髡`差產(chǎn)生不同,所以相關(guān)系數(shù)取0。

    表2給出了天線在自重及20.7級(jí)風(fēng)正向下的計(jì)算變形σ3及天線反射面變形。

天線的CAE技術(shù)應(yīng)用+培訓(xùn)教程圖片9

利用結(jié)構(gòu)分析獲得的數(shù)據(jù)可以看出,天線的最大變形和應(yīng)力滿足指標(biāo)要求,天線反射面變形在自重和20.7 m/,風(fēng)速情況下滿足指標(biāo)要求?？梢缘贸鼋Y(jié)論,本設(shè)計(jì)方案是可行的。

2 利用proe軟件進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

proe軟件以其強(qiáng)大的三維實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

天線的CAE技術(shù)應(yīng)用+培訓(xùn)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(fù)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(zhǔn)確地建立曲線,然后曲線繞其中心軸旋轉(zhuǎn)建立實(shí)體,形成發(fā)射面。proe軟件中由數(shù)學(xué)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(biāo)系(以缺省方式生成笛卡兒系Cartesian)—在編輯窗口中輸人數(shù)學(xué)方程式,存盤、完成。

假設(shè)天線母線為標(biāo)準(zhǔn)拋物線,在編輯窗口中,數(shù)學(xué)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)曲線,而是電氣工程師經(jīng)過計(jì)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(jìn)去~保存~完成,即得所需賦形曲線,曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)相應(yīng)的角度,并加以厚度形成實(shí)體,便得到設(shè)計(jì)的相應(yīng)環(huán)的天線反射面。

    建立天線反射面后,在其背部還要設(shè)計(jì)背筋和與輻射梁相連的板件。由于篇幅關(guān)系,具體設(shè)計(jì)這里不再詳述。

2.2根據(jù)參數(shù)式設(shè)計(jì)概念進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

18 m天線的反射體骨架為空間網(wǎng)狀琦架結(jié)構(gòu),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(gè)天線系統(tǒng)中最為復(fù)雜的部分。如果采用過去的二維設(shè)計(jì)方法或數(shù)學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)它們的結(jié)構(gòu)尺寸和連接方式相當(dāng)繁瑣,且容易出錯(cuò)。采用proe軟件,這些難題就會(huì)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(shí)體造型,通過輻射梁繞天線中心軸旋轉(zhuǎn)復(fù)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(xué)分析的需要進(jìn)行連接桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這些連接桿的尺寸可通過3D模型向2D工程圖的轉(zhuǎn)換而得到,也可利用proe軟件的測(cè)量功能進(jìn)行空間測(cè)量而精確得到。proe軟件的參數(shù)式設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案,對(duì)不同的方案進(jìn)行比較分析,再利用Pro/MECHANICA,可以直接對(duì)實(shí)體零件模型進(jìn)行有限元分析。由于其參數(shù)化工具優(yōu)點(diǎn),從而方便快捷地進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),從而選擇最佳方案優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)。運(yùn)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(gè)物理量如質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,這些物理參數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析軟件(如Adams)進(jìn)行分析和仿真,從而快捷準(zhǔn)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(shè)計(jì)理念是從3D實(shí)體模型產(chǎn)生2D工程圖,并且自動(dòng)標(biāo)注相關(guān)尺寸。當(dāng)產(chǎn)品的3D實(shí)體模型最佳設(shè)計(jì)方案完成后,其2D工程圖就會(huì)很方便地生成。利用proe軟件的全相關(guān)性,不論設(shè)計(jì)者在任何時(shí)候?qū)?D實(shí)體模型進(jìn)行尺寸修改,其變化都會(huì)傳送到整個(gè)設(shè)計(jì)中,并自動(dòng)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(dòng)演示等功能,可編制方便易懂的文件資料。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用CAE軟件,可以在產(chǎn)品研制的初期,進(jìn)行有限元建模和3D實(shí)體建模,實(shí)現(xiàn)由概念設(shè)計(jì)到生成“數(shù)字化”產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。通過有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從多種方案中規(guī)劃化最佳方案,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì);通過產(chǎn)品的3D實(shí)體造型,根據(jù)其參數(shù)式設(shè)計(jì)概念和全相關(guān)性可以完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),快捷準(zhǔn)確地得到“數(shù)字化”產(chǎn)品相關(guān)的物理量,并迅速完成工程圖;通過CAE軟件對(duì)其未來的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬,可以及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算中的缺陷,并證實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作達(dá)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(shù)將在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來越重要的作用。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才