肖飛

摘 要：ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分，即前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地用它構(gòu)造有限元模型。該軟件能與多數(shù)CAD軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，在拋面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用，可以在多個(gè)機(jī)群中并行處理解決超大模型。

關(guān)鍵詞：ANSYS軟件；拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；表面精度

中圖分類(lèi)號(hào)：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.098

自從美國(guó)將ANSYS軟件開(kāi)發(fā)出來(lái)以后，用戶不但可用其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體流動(dòng)和電磁等方面的單獨(dú)研究，還可以研究其相互影響。ANSYS軟件的應(yīng)用在很大程度上提高了天線設(shè)計(jì)水平。下面將簡(jiǎn)單論述ANSYS軟件在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 軟件組成以及優(yōu)缺點(diǎn)

ANSYS軟件包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線、矢量、立體切片、透明及半透明顯示。ANSYS是完全的WWS程序，應(yīng)用起來(lái)更加方便，由一整套可擴(kuò)展的、靈活集成的模塊組成，因而能滿足各行各業(yè)的工程需要。

2 拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的就是天線結(jié)構(gòu)不會(huì)遭到外部環(huán)境的影響和破壞。拋物面天線結(jié)構(gòu)一般由中心體、背架、反射面、副面撐桿和副面等組成。其中，中心體主要是由板梁焊接，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的單層或者雙層桶狀結(jié)構(gòu)，上方的支撐結(jié)構(gòu)輻射梁呈放射狀分布在環(huán)狀板梁上，之間由幾圈環(huán)形分布的環(huán)梁和斜支撐桿連接起來(lái)。材料都要滿足結(jié)構(gòu)需要，規(guī)格、質(zhì)量、重量都需要滿足基本條件。使用時(shí)，應(yīng)該盡量節(jié)省材料，以降低成本。

3 計(jì)算拋物面天線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度

首先應(yīng)該構(gòu)建一個(gè)有限元模型，通過(guò)軟件處理，將需要的數(shù)據(jù)按照程序輸入電腦，從而完成天線結(jié)構(gòu)有限元模型的建立。天線結(jié)構(gòu)材料主要是鋼，所以用MASS21單元模擬饋源、副面、面板等，但其重量滿足不了結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的要求。模型中，用BEAM4/SHELL63/MASS21分別模擬天線結(jié)構(gòu)上的元件。風(fēng)力承受能力最大的部位集中在天線背架的弦節(jié)點(diǎn)上。軟件可以在各種情況下判定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度。

4 基于ANSYS的天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 ANSYS優(yōu)化流程和方法

利用設(shè)計(jì)語(yǔ)言PADL完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的錄入，設(shè)計(jì)者可以控制設(shè)計(jì)的屬性或分析屬性，以便建模，進(jìn)而優(yōu)化和分析整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。其中，主要采用零階方法和一階方法來(lái)處理和分析函數(shù)關(guān)系。零階方法適用于建立目標(biāo)函數(shù)，能夠有效解決大多數(shù)工程問(wèn)題；一階方法主要是使用因變量來(lái)改變數(shù)據(jù)，在每一次計(jì)算中確定方向，結(jié)果比較精確，適用于優(yōu)化分析。在日常生活中，一階方法的使用更為廣泛。

4.2 天線中心體和背架的優(yōu)化

以某工程中的天線設(shè)計(jì)為例，證明運(yùn)用ANSYS軟件可以優(yōu)化其設(shè)計(jì)，特別是在天線中心體和背架的優(yōu)化方面。運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析時(shí)，不會(huì)有其他因變量干擾設(shè)計(jì)，只需要考慮天線的中心體和背架結(jié)構(gòu)調(diào)整即可，有限元優(yōu)化模型1/4部分如圖1所示。

考慮到面板分塊和螺旋桿的安裝調(diào)整，必須固定好背架的上弦節(jié)點(diǎn)，而下線節(jié)點(diǎn)的各坐標(biāo)面積可以作為截面積變量進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃處理。在天線建設(shè)中，天線強(qiáng)度一般都不會(huì)存在很大問(wèn)題，主要是剛度的變化很容易造成天線被封、折斷等情況，所以其強(qiáng)度在檢驗(yàn)時(shí)不是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，只需要校核處理。天線的中心體和背架的剛度、重量的優(yōu)化工作比較重要，需要在設(shè)計(jì)要求精度范圍內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)反射面重量最輕、剛度足夠的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化前后對(duì)比如表1所示。

4.3 重量的計(jì)算優(yōu)化

ANSYS軟件的優(yōu)化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)比人工優(yōu)化效果好。人工優(yōu)化首先是分別建立不同結(jié)構(gòu)的模型，然后分別計(jì)算，才能從中選擇最優(yōu)方案。還有一種方式是先確定結(jié)構(gòu)形式，利用不同的材料或者其他方面的變量計(jì)算，然后對(duì)比并選擇最佳方案。這種方式比較煩瑣，因?yàn)樽兞亢芏?，人們很難掌控其中所有的變量，而且不一定能達(dá)到很好的效果。但是利用ANSYS軟件就可以很快找到最優(yōu)方案。軟件中有專門(mén)的優(yōu)化模塊，整個(gè)過(guò)程中，從假設(shè)因變量到建立模型，使用不同的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)分析計(jì)算得出結(jié)果后可自動(dòng)生成優(yōu)化分析文件。在優(yōu)化結(jié)束以后，人們還可以在計(jì)算機(jī)中看到整個(gè)優(yōu)化過(guò)程的變化，通過(guò)在程序處理中查看變量取得最佳值后的變形情況和應(yīng)力改變數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工作效率和計(jì)算準(zhǔn)確率的提高。

以某天線為例，現(xiàn)在取得了各種規(guī)格桿件的截面面積數(shù)據(jù)，并取得反射面最大形變量、桿件最大應(yīng)力狀態(tài)變量，最終目的是減輕天線重量，現(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可知，ANSYS軟件確實(shí)能夠減輕整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量，從而減輕天線座和傳動(dòng)系統(tǒng)的重量，所以ANSYS軟件的運(yùn)用能夠有效彌補(bǔ)設(shè)計(jì)中的缺陷，而且實(shí)施起來(lái)十分便捷，是天線設(shè)計(jì)中值得廣泛推廣的方法。

4.4 預(yù)調(diào)天線并計(jì)算固有頻率

天線始終保持一種工作狀態(tài)。在同一種姿勢(shì)狀態(tài)下，天線反射面產(chǎn)生形變的原因就是重力這一變量。所以如果先計(jì)算出該狀態(tài)下受重力的變形情況，在安裝天線的時(shí)候就可以預(yù)防其斷裂或者變形的情況，當(dāng)使用天線的時(shí)候也就可以抵消或者減輕因重力產(chǎn)生的形變。

在建立有限元模型之后，根據(jù)軟件中的固有程序可以取得指定的模態(tài)數(shù)據(jù)和提取方案，求得固有頻率和振型結(jié)果。實(shí)踐表明，ANSYS軟件的運(yùn)用能夠提高實(shí)際效率。

5 計(jì)算天線反射面變形的均方根值

天線反射面變形的均方根值的計(jì)算公式需利用ANSYS軟件處理，使得整個(gè)計(jì)算過(guò)程變得簡(jiǎn)單，提高設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)效率。放射面變形的均方根值是衡量天線結(jié)構(gòu)是否符合規(guī)范的重要依據(jù)，對(duì)比計(jì)算出的數(shù)值與規(guī)定數(shù)值，其結(jié)果比規(guī)定值小才算是一個(gè)成功的設(shè)計(jì)。而在過(guò)去，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)采集反射面上各節(jié)點(diǎn)的形變值，工作量大，而且計(jì)算結(jié)果并不十分準(zhǔn)確?，F(xiàn)在運(yùn)用ANSYS軟件這種處理方式，提高了數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，然后通過(guò)熟悉軟件的用法，能夠很快地計(jì)算出天線形變的均方根值，為天線設(shè)計(jì)提供了精確的數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，ANSYS軟件在拋物面天線結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用能夠有效提高拋物面天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，將設(shè)計(jì)方案提升到一個(gè)新的高度。利用ANSYS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，能夠彌補(bǔ)以往人為方式設(shè)計(jì)的缺陷，使設(shè)計(jì)中各種數(shù)據(jù)桁架更加精確，結(jié)構(gòu)分析能力也有了很大的提高。ANSYS軟件提高了對(duì)天線結(jié)構(gòu)的沖擊、諧響應(yīng)、響應(yīng)譜和隨機(jī)振動(dòng)等各方面的分析效率，在實(shí)際設(shè)計(jì)中被廣泛運(yùn)用，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕