广州增城有限元培训_天线的CAE技术应用

以18m天线为例，介绍了利用MSC.Patran/Nastran有限元分析软件进行数字化建模的过程，给出了天线载荷的计算方法，并根据系统仿真给出的分析结果，论证了设计方案的可行性。介绍了利用Pro/E软件进行3D实体建模，根据其参数式设计概念和全相关性进行结构设计的过程。阐述了CAE软件将在天线结构设计中发挥的重要作用。

0 引言

在各种电子专用设备中，天线的结构较为复杂且形式多样。随着现代化技术的飞速发展，天线被广泛应用于通信、雷达及射电天文等领域。对于结构趋于大型化、复杂化的天线系统，对设计师提出了更高的要求。大型天线载荷工况复杂，其自身重力及环境载荷对天线的影响很大，加大了设计难度，靠传统的经验设计几乎是不可能的。同时，结构的安全性和可靠性无法在项目建成后再用实验方法来测试和验证，只有在设计方案阶段通过做大量的计算分析和模拟试验来获得。随着计算机技术和数值计算理论的发展，借助CAE技术使得这些大型天线的系统仿真和结构分析成为可能。CAE技术是在三维实体建模的基础上，从产品的方案设计阶段开始，按照实际使用的条件进行仿真和结构分析，按照性能要求进行设计和综合评价，以便从多个设计方案中选择较佳方案。笔者在天线结构设计中选用的CAE技术软件有Patran/Nastran有限元分析软件、Pro/ENGINEER实体造型软件等。

Patran/Nastran是MSC公司推出的世界上应用较为广泛的大型通用结构有限元分析软件，在全球各个工业领域得到成功应用，并已成为公认的工业工程分析和校验的有限元分析标准。Pro/ENGINEER(简称Pro/E)是美国参数技术公司推出的功能极为强大的三维实体造型结构设计软件，广泛应用于机械、模具、汽车和航空航天等领域。本文将以18 m天线为例，介绍2个CAE软件在天线结构设计中的应用。

1 利用有限元分析软件进行系统仿真

1.1 问题提出

18 m天线结构是一种高精度的机械结构，它的较终目的是增加其电气性能要求。而实际上，由于天线将收到自重和风荷等外载的作用，天线表面必然偏离其理想设计形状，因此也就必然会影响其电气性能。这种天线表面误差对电气性能的影响按Ruze公式可定量地描述为:

式中，ηs为天线增益下降系数;G0为无表面误差时天线的增益;G为有表面误差时的增益;δ为天线表面各点半光程差的均方根值(rms);λ为波长。

采用分贝来表示增益下降系数，式(1)可写成:

由式(1),(2)可见，随着表面误差的增大，天线增益将明显下降。因此，对于天线表面误差的分析计算是必要的。

    1.2 数字化建模

以18 m天线反射体为例，分析其组成部分在模型中的模拟方法。18 m天线反射体由中心体、反射体骨架、反射面、调整螺栓和副反射体5部分组成。

①中心体是内部带加强筋的箱体结构，按壳单元处理，其与座架连接的厚钢板也处理为壳单元;

②反射体骨架由辐射梁、环向拉杆和斜向拉杆等组成。环向拉杆处理为杆单元，其余处理为梁单元;

③反射面由112块面板组成。反射面板由2 mm厚的铝板拉伸而成，是典型的壳单元;为了提高反射面的刚度，在其背面布有Z型铝型材加强筋，该加强筋通过密集的铆钉和反射面板进行铆接，它不但承受轴向力，而且还承受弯距，所以将其视为梁单元;

④调整螺栓安装在辐射梁和反射面之间，用来调整反射面的位置。每块反射面板使用了6枚M16的调整螺栓，它不但承受轴向力，而且还承受弯距，故将其视为梁单元;

⑤副反射体的支撑为薄臂椭圆管，处理为梁单元。

    将以上5部分合在一起，划分网格后，生成18 m天线反射体的整体有限元模型图，如图1所示。

    1.3 载荷计算

18 m天线工作时受到的外载荷主要有自重和风载荷。

①自重载荷。把结构离散成有限元模型后，设计不同方向的重力加速度，自重载荷将自动加上;

②风载荷。风载荷由以下公式计算:

    风力:F=CFqA;

    风力距:M = CMqAD。

式中，CF, CM分别为风力和风力距系数;q为动压头，q=/16, V为风速;A,D分别为18 m天线口径面积和直径。

1.4 静力分析

在数字化建模的基础上，选择了4种工况进行了分析，分析结果如表1所示。

1.5 天线反射面精度论证

天线反射面的精度是以反射面上测量点的法向误差均方根值(rms)来表述的。这一误差由以下3方面产生:

①反射面单元的加工误差σ1，其中包含了面板验收时的检测误差;

②反射面单元的安装时测量系统误差σ2;

③结构在载荷作用下引起的变形误差σ3，是由于天线在不同工况下，天线自重变形引起的反射面的调整点变形误差。在调整点变形的影响下，反射面在原有精度的基础上进一步变形，从而使精度变差。

按照误差合成式(3)可计算反射面的精度为:

    式中,表示各误差的均方根值;表示相关系数，因为各误差产生不同，所以相关系数取0。

    表2给出了天线在自重及20.7级风正向下的计算变形σ3及天线反射面变形。

利用结构分析获得的数据可以看出，天线的较大变形和应力满足指标要求，天线反射面变形在自重和20.7 m/，风速情况下满足指标要求。可以得出结论，本设计方案是可行的。

2 利用Pro/E软件进行天线结构设计

Pro/E软件以其强大的三维实体造型功能可迅速使产品从概念化形成“数字化”产品。下面也以18 m天线反射体(图2)为例，介绍Pro/E软件在天线结构设计中的应用。

    2.1利用Pro/E软件绘制天线反射面

天线的反射面母线较为复杂，一般为多次曲线或赋形曲线。利用Pro/E软件曲线的方程或文件读入功能就可以方便准确地建立曲线，然后曲线绕其中心轴旋转建立实体，形成发射面。Pro/E软件中由数学方程式产生曲线的具体步骤是:曲线类型一选择方程模式(From Equation)—选择坐标系(以缺省方式生成笛卡儿系Cartesian)—在编辑窗口中输人数学方程式，存盘、完成。

假设天线母线为标准抛物线，在编辑窗口中，数学方程式为参数方程式，具体如下:

    x=a+(b-a)xt,

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

    z=0。

式中，t为软件系统驱动参数，其范围从0~1；f为天线焦距;a,b分别为一段抛物线在x方向的较小、较大值。

18 m天线反射面的母线不是标准曲线，而是电气工程师经过计算给出的卡氏赋形曲线，用Word文档给出。Pro/E软件中曲线可以通过读人后缀为.idl的文件建立，但不能读Word文档。这里给大家提供一种利用Word文档绘制Pro/E软件曲线的小技巧，具体步骤是:曲线类型~选择文件模式(From File )~打开一任意后缀为.idl的空文件~将Word文档中的数据剪切后粘贴进去~保存~完成，即得所需赋形曲线，曲线绕中心轴旋转设计所需角度即得赋形曲线面。

18 m天线反射体面板共分4环，因此，母线也分为4段。根据不同段的赋形曲线旋转相应的角度，并加以厚度形成实体，便得到设计的相应环的天线反射面。

    建立天线反射面后，在其背部还要设计背筋和与辐射梁相连的板件。由于篇幅关系，具体设计这里不再详述。

2.2根据参数式设计概念进行天线结构设计

18 m天线的反射体骨架为空间网状琦架结构，沿圆周方向分为16片主辐射梁和16片副辐射梁，辐射梁为杆件与球接头焊接而成，各片辐射梁之间通过环向、斜向空间拉杆连接，是整个天线系统中较为复杂的部分。如果采用过去的二维设计方法或数学计算设计它们的结构尺寸和连接方式相当繁琐，且容易出错。采用Pro/E软件，这些难题就会迎刃而解。首先以辐射梁的连接杆和球接头的尺寸为参数，建立辐射梁的实体造型，通过辐射梁绕天线中心轴旋转复制便得到天线反射体的辐射梁骨架。在骨架之间，可根据力学分析的需要进行连接杆的结构设计。这些连接杆的尺寸可通过3D模型向2D工程图的转换而得到，也可利用Pro/E软件的测量功能进行空间测量而精确得到。Pro/E软件的参数式设计还可以帮助工程师从多种方案中规划出较优方案，如果给辐射梁的杆件尺寸和球接头直径以不同值，便得到一种设计方案，对不同的方案进行比较分析，再利用Pro/MECHANICA，可以直接对实体零件模型进行有限元分析。由于其参数化工具优点，从而方便快捷地进行模型的灵敏度分析和优化设计，从而选择较佳方案优化自己的设计。运用Pro/E软件的分析功能，可以很方便地得到18 m天线系统的各个物理量如质量、质心及转动惯量等，这些物理参数在结构设计中是必不可少的;另外，还可以利用Pro/E软件广泛的接口功能，将数据转换到结构动力分析软件(如Adams)进行分析和仿真，从而快捷准确地获得支反力、加速度和加速力矩等参数。

    2.3 绘制二维工程图与编制文件资料

Pro/E软件的设计理念是从3D实体模型产生2D工程图，并且自动标注相关尺寸。当产品的3D实体模型较佳设计方案完成后，其2D工程图就会很方便地生成。利用Pro/E软件的全相关性，不论设计者在任何时候对3D实体模型进行尺寸修改，其变化都会传送到整个设计中，并自动更新所有的工程文件。

    Pro/E软件可生成后缀为.jpg格式的图片，还有爆炸视图和自动演示等功能，可编制方便易懂的文件资料。

3 结束语

利用CAE软件，可以在产品研制的初期，进行有限元建模和3D实体建模，实现由概念设计到生成“数字化”产品的设计过程。通过有限元模型进行力学分析和结构设计，从多种方案中规划化较佳方案，从而实现优化设计;通过产品的3D实体造型，根据其参数式设计概念和全相关性可以完善结构设计，快捷准确地得到“数字化”产品相关的物理量，并迅速完成工程图;通过CAE软件对其未来的运行状态进行模拟，可以及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。“工欲善其事，必先利其器。”掌握CAE软件，可以使结构设计工作达到事半功倍的效果。随着现代科技的飞速发展，相信CAE技术将在天线结构设计中发挥越来越重要的作用。