蔣 旻，吳金彪

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

天線座是天線的支撐和定位裝置。由于安裝平臺(tái)的限制，天線座重量控制及結(jié)構(gòu)合理性在天線座設(shè)計(jì)過(guò)程中愈發(fā)重要，如何設(shè)計(jì)出重量輕、結(jié)構(gòu)布局合理的天線座是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。同時(shí)滿足天線座的各種性能指標(biāo)和環(huán)境要求，對(duì)設(shè)計(jì)手段提出了更高的要求[1]。本文將以NX8.0軟件為平臺(tái)，通過(guò)軟件仿真、參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化結(jié)果，實(shí)現(xiàn)某型天線座從方案設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的全過(guò)程仿真，探討一種天線座設(shè)計(jì)的思路及方法[2]。

1 設(shè)計(jì)要求及難點(diǎn)

本天線座為固定式天線座，其主要功能是完成對(duì)若干天線、散熱板及電源等電氣設(shè)備的固定及定位。根據(jù)客戶要求，該天線座在原有平臺(tái)上修改設(shè)計(jì)，導(dǎo)致天線座尺寸和重量受到嚴(yán)格控制，天線座的外形尺寸及重量要求如下：總高H≤450 mm；總重W≤35 kg。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)：對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，尺寸重量如果受到嚴(yán)格控制，設(shè)計(jì)難度相當(dāng)大，常規(guī)的設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法已無(wú)法完成設(shè)計(jì)要求。

本文依據(jù)已有的限定條件，采用先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)仿真手段，開(kāi)展該天線座優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，天線、散熱板等部件尺寸已經(jīng)固化，無(wú)法更改。以這些尺寸為條件可以大體確定天線座的主要尺寸。

根據(jù)電性能要求及電源等電器組件尺寸限定，可以確定天線罩尺寸；同時(shí)散熱板尺寸已經(jīng)固化，以此為條件，最終確定的天線座初始方案為圖1、圖2所示2種方案。2種方案的比較見(jiàn)表1。

圖1 天線座初始方案1

方案1(圖1)將冷板分別布置在天線座的底板、后壁上，天線座側(cè)壁設(shè)維修孔。此方案結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，加工性較好。從表1可以看出，此方案較重，同時(shí)尺寸偏大。

圖2 天線座初始方案2

表1 初始方案比較(相同壁厚)

方案2(圖2)將冷板置于天線座的立柱上，此布局結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕；但工藝性較差，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)得著重解決工藝性問(wèn)題。

由于重量及外形尺寸限定較為嚴(yán)格，綜合考慮后決定采用方案2為初始天線座方案，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)此天線座。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在初始方案確定的情況下，對(duì)初始模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種在限定條件下確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。在本天線座的設(shè)計(jì)過(guò)程中，優(yōu)化的主要目的是將重量控制在限定的范圍內(nèi)。

2.2.1 約束條件

一般情況下，鑄件較之理論模型會(huì)有15%左右的偏差(設(shè)計(jì)時(shí)給予鑄件的設(shè)計(jì)余量)；假定加強(qiáng)部分占鑄件總重的10%，重量約束如下：

Wca≤W×65%=35×75%=26.3(kg)

本天線座鑄件材料為ZL101 A，采用砂型鑄造，應(yīng)力約束如下：

式中：[S]為安全系數(shù)，取[S]=2；σb為抗拉強(qiáng)度，取σb=135 MPa。

2.2.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要途徑，對(duì)參數(shù)的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真過(guò)程的參數(shù)化調(diào)整，進(jìn)而求出最佳解。

NX8.0中，參數(shù)化建模是依靠其表達(dá)式功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在本天線座中，由于天線座的外形尺寸基本確定，故在參數(shù)化建模中，我們將鑄件的厚度作為變量，主要設(shè)置如圖3所示。

圖3 表達(dá)式界面

完成參數(shù)化建模后，加載邊界條件及載荷，對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。初始方案的Von Mises應(yīng)力分布及位移分布如圖4、圖5所示。

圖4 Von Mises應(yīng)力分布圖

圖5 位移分布圖

2.2.3 參數(shù)迭代

將對(duì)初始方案的分析結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始參考。從上面的分析結(jié)果可以看出，初始設(shè)定的壁厚較厚，最大應(yīng)力為55 MPa，但重量已經(jīng)超過(guò)限定值；故可以在表達(dá)式中將應(yīng)力相對(duì)較低區(qū)域的壁厚改薄，然后按圖6所示進(jìn)行模型及分析模型的更新。表2為5次迭代的結(jié)果，考慮實(shí)際工藝性，鑄件的壁厚不宜過(guò)薄，加之考慮到鑄件實(shí)際壁厚的誤差，最終選擇表2中序號(hào)5的壁厚分布，其重量、最大應(yīng)力均在限定范圍內(nèi)。

圖6 更新窗口

表2 參數(shù)迭代

NX8.0軟件將建模、網(wǎng)格劃分、求解及后處理整合在同一平臺(tái)下，可以很方便地通過(guò)控制設(shè)定參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。較之更為專業(yè)的有限元分析軟件，此種方法最大的優(yōu)勢(shì)在于其在實(shí)際工作中的可操作性。

在實(shí)際工作過(guò)程中，我們并不需要對(duì)模型進(jìn)行諸如“拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)”等較為高級(jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在絕大多數(shù)的優(yōu)化過(guò)程中，我們的目的較為單一，所以此種方法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化足以滿足一般的工作需求。

在本天線座的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于優(yōu)化目標(biāo)較為明確，所以只定義較少的參數(shù)，假定優(yōu)化對(duì)象較多，可以將關(guān)注點(diǎn)一一參數(shù)化進(jìn)行考察。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮天線座的工藝性。在初始方案中，底座為一整體，在立柱內(nèi)側(cè)的散熱板安裝面難以加工。所以將天線座分離成兩部分，如圖7所示。

圖7 天線座構(gòu)成

從仿真結(jié)果可以看出，底板中間部分應(yīng)力很小，為減輕重量，可在底座(下)底板中間部分增加減輕孔。頂板在立柱中間應(yīng)力很小，為了方便走線，在底座(上)開(kāi)走線孔，同時(shí)也能減輕重量。

兩部分結(jié)合處采用法蘭連接方式，在底座(下)加工止口，將底座(上)鑲嵌其中，此止口同時(shí)起到定位和抵消傾覆力矩的功能。在法蘭周圍布置加強(qiáng)筋，進(jìn)一步提高天線座強(qiáng)度。法蘭連接處采用硅橡膠繩密封。最終得到天線座的外形如圖8所示。

圖8 天線座外形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本天線座設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分運(yùn)用了NX8.0軟件強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力、仿真能力，實(shí)現(xiàn)了在同一設(shè)計(jì)平臺(tái)下的交互式設(shè)計(jì)。