本文介紹了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的ProE和ANSYS應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容。

　　1　引言

　　天線是衛(wèi)星通信中發(fā)射和接收微波信號(hào)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(duì)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(jiǎn)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(chǎng)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(duì)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Pro/ENGINEER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(duì)象，生成產(chǎn)品幾何模型，并能對(duì)建立的實(shí)體模型自動(dòng)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Pro/ENGINEER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(duì)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(duì)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。現(xiàn)主要對(duì)如何在Pro/ENGINEER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Pro/ENGINEER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(jí)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(tái)直接運(yùn)行等)，這樣就可以在Pro/ENGINEER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Pro/ENGINEER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。

圖1 天線座架應(yīng)力云圖

　　3 用Pro/ENGINEER建立模型的方法

　　對(duì)于類似天線結(jié)構(gòu)這樣空間尺寸繁多的產(chǎn)品，通過Pro/ENGINEER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(dòng)肞ro/ENGINEER建模時(shí)常采用的一些方法。

　　3.1 簡(jiǎn)化模型

　　簡(jiǎn)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(huì)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(duì)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(huì)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(huì)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(huì)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?jiǎn)卧?/P>

　　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(jiǎn)化為板或桿，這種簡(jiǎn)化稱之為減維。在Pro/ENGINEER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(duì)一些單元?jiǎng)澐直容^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?jiǎn)卧强茖W(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(dòng)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(huì)造成單元中斷。對(duì)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Pro/ENGINEER中，可在配置文件Pro.config中通過對(duì)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?jiǎng)澐值迷叫。?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(duì)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(duì)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(zhǎng)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Pro/ENGINEER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(jiǎn)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(dòng)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(duì)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。

圖2 喇叭原型

圖3 簡(jiǎn)化后的模型

圖4 有限元模型

圖5 變形圖

　　4 結(jié)束語

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過運(yùn)用CAD、CAE等先進(jìn)設(shè)計(jì)手段，可以大幅度縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，并且能夠在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。合理使用CAE技術(shù)更可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，為設(shè)計(jì)人員提供可靠的分析數(shù)據(jù)，從而保證設(shè)計(jì)的成功率。