優(yōu)化設(shè)計(jì)在天線座結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

隋文海，李聰聰

（中國電子科技集團(tuán)公司 第五十四所，河北 石家莊 050081）

現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展要求車載天線越來越趨向于輕量化的同時(shí)又要有較高的剛度及運(yùn)動(dòng)指標(biāo)，而兩者是互相矛盾，因此需要設(shè)計(jì)師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足各項(xiàng)精度及剛度指標(biāo)的同時(shí)盡量減少主要部件的重量。

筆者選取了天線座結(jié)構(gòu)中最主要的支撐元件－方位圓筒，使用Pro／E 先進(jìn)設(shè)計(jì)工具對(duì)其進(jìn)行建模，利用其自帶模塊選取主要參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，在計(jì)算后評(píng)估其結(jié)果，修改相關(guān)尺寸或結(jié)構(gòu)形式。最后得到最優(yōu)參數(shù)的同時(shí)完成三維模型。

1 建立三維模型

圖1 方位圓筒模型

圖1是某衛(wèi)星跟蹤天線座的方位圓筒，其主要作用是承受天線及俯仰傳動(dòng)部分的重力、傾覆力矩及扭轉(zhuǎn)力矩。該圓筒承受的垂直負(fù)荷為50000N，水平負(fù)荷為13618N，扭轉(zhuǎn)力矩為11803N·m。本工程總體指標(biāo)分配要求該圓筒的扭轉(zhuǎn)剛度大于6.4×107N·m／rad，圓筒最小直徑大于Φ800mm，圓筒高度為2500mm。

初始設(shè)計(jì)模型參數(shù)如下：

1）取圓筒直徑為Φ1100mm，壁厚為20mm；

2）上、下法蘭外徑為Φ1160mm，內(nèi)徑為Φ400mm，厚度為20mm；

3）內(nèi)部筋板寬度為80mm，厚度為20mm。

依據(jù)本單位以前類似工程及經(jīng)驗(yàn)公式算法，使用Pro／E建立三維模型如圖1，其中垂直負(fù)荷和水平負(fù)荷按均布載荷加到上法蘭平面，扭轉(zhuǎn)力矩折算為力加到上法蘭平面中的8個(gè)區(qū)域，約束條件是將下法蘭的下平面的6個(gè)自由度全部約束。進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖2（其中左邊圖為應(yīng)力圖，右邊為變形圖）。

圖2 圓筒應(yīng)力和變型圖

從得出的計(jì)算結(jié)果看，應(yīng)力和變形都很小（最大應(yīng)力為3.2Mpa，最大位移為0.0099mm），其中變形值折算成扭轉(zhuǎn)剛度為6.56×108N·m／rad。雖然結(jié)果滿足指標(biāo)要求，但結(jié)構(gòu)顯得有些龐大、笨重（重量為1800kg），需要優(yōu)化設(shè)計(jì)完成工作。

2 確定優(yōu)化參數(shù)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是在設(shè)計(jì)過程中，在設(shè)定的條件下修改相關(guān)參數(shù)組合，尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。在做優(yōu)化設(shè)計(jì)前首先要進(jìn)行靈敏度分析，也就是對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行篩選。

對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行篩選有以下兩個(gè)方面的作用；

（1）在建立設(shè)計(jì)模型的過程中，定義了許多設(shè)計(jì)參數(shù)，如本結(jié)構(gòu)中的圓筒直徑、壁厚、內(nèi)部筋板寬度等。當(dāng)這些設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí)，必然會(huì)對(duì)模型性能產(chǎn)生影響。但如果這些設(shè)計(jì)參數(shù)都用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，必然導(dǎo)致計(jì)算量龐大。因此需要明確哪些參數(shù)是重要參數(shù)，也就是說這些參數(shù)對(duì)整體優(yōu)化過程的影響比較大甚至是顛覆性質(zhì)。這些重要參數(shù)將是優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮的，同時(shí)也要注意盡量減少重要參數(shù)的設(shè)置數(shù)量，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)選取不超過5個(gè)。

實(shí)際上不同的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)模型的影響是不相同的。采用靈敏度分析就可以定量分析各參數(shù)對(duì)模型的影響程度。靈敏度分析可對(duì)模型參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程，即瞬時(shí)變化過程進(jìn)行分析，研究特定參數(shù)對(duì)模型性能的影響情況，也就是說研究模型特定變化對(duì)參數(shù)變化的敏感程度。

（2）進(jìn)一步研究這些重要設(shè)計(jì)參數(shù)，為這些設(shè)計(jì)參數(shù)確定用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的變化范圍。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要選定設(shè)計(jì)參數(shù)并給定參數(shù)的變化范圍，在參數(shù)的變化范圍內(nèi)尋求最佳設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)參數(shù)的變化范圍確定得不合理，會(huì)造成優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率降低。也就是說需要合理的確定參數(shù)變化范圍。

在本模型中選取以下的設(shè)計(jì)參數(shù)是進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所要關(guān)心的：

1）上法蘭的內(nèi)孔直徑和厚度；

2）圓筒的直徑和壁厚；

3）內(nèi)部筋板的寬度和厚度；

3 靈敏度分析

在確定上述設(shè)計(jì)參數(shù)后，即可進(jìn)行靈敏度分析。在進(jìn)行靈敏度分析時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行局部靈敏度分析，以確定參數(shù)對(duì)模型性能的影響程度，并對(duì)那些對(duì)模型性能影響大的主要參數(shù)進(jìn)行全局靈敏度分析。在進(jìn)行靈敏度分析時(shí)設(shè)置了2個(gè)測試點(diǎn)，Point0是應(yīng)力測試點(diǎn)，Point1是位移測試點(diǎn)。對(duì)上述參數(shù)局部靈敏度分析的結(jié)果見表1。

表1 參數(shù)的變化對(duì)應(yīng)力和位移的影響

上述分析中研究的是參數(shù)的變化對(duì)模型的應(yīng)力和變形的影響。從分析結(jié)果可以看出對(duì)應(yīng)力影響較大的是上法蘭的厚度、筋板寬度及圓筒壁厚，對(duì)位移影響大的有圓筒直徑和圓筒壁厚，但由于應(yīng)力余量很大（計(jì)算應(yīng)力為4Mpa，而許用應(yīng)力為90Mpa），因此不考慮參數(shù)變化對(duì)應(yīng)力的影響，只考慮參數(shù)變化對(duì)位移的影響。從表1可以看出，上法蘭內(nèi)徑、上法蘭厚度、內(nèi)部筋板厚度、內(nèi)部筋板寬度對(duì)位移的影響為萬分之一到萬分之四毫米，而圓筒直徑和圓筒壁厚對(duì)位移的影響為萬分之二十三到萬分之七十毫米，也就是說圓筒直徑和圓筒壁厚這兩個(gè)參數(shù)變化對(duì)位移的影響比其他四個(gè)參數(shù)變化對(duì)位移的影響要大1個(gè)數(shù)量級(jí)。為此，選擇圓筒的壁厚和直徑這兩個(gè)參數(shù)作進(jìn)一步的研究，對(duì)模型作全局靈敏度分析。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

全局靈敏度分析的結(jié)果見表2。通過靈敏度分析，確定模型的位移對(duì)圓筒的壁厚和直徑這兩個(gè)參數(shù)最為敏感。前面已經(jīng)提到，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目地是在滿足要求的前提條件下獲得重量輕、體積小的模型。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是質(zhì)量最小，優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件是：1）最大應(yīng)力不大于90Mpa（材料許用應(yīng)力）；2）測試點(diǎn)應(yīng)力不大于40Mpa；3）測試點(diǎn)位移不大于0.095mm（按扭轉(zhuǎn)剛度折算）。

表2 全局靈敏度分析結(jié)果

5 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化分析計(jì)算的結(jié)果是：圓筒的直徑約為Φ802mm，壁厚為10mm，重量約為881Kg。在這種狀態(tài)下最大位移為0.025mm（見圖3），折算扭轉(zhuǎn)剛度為1.77×108N·m／rad，仍能滿足要求。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后圓筒的最大位移

通過優(yōu)化分析，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，大大地縮小了體積和減小了重量（在本例中重量減小了約900kg），從而使設(shè)計(jì)更加合理，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)結(jié)果。

6 結(jié)束語

通過利用Pro／E先進(jìn)三維設(shè)計(jì)及自帶分析模塊，對(duì)天線座重要部件－支撐圓筒進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，初步探討了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。依據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。證明了在前期設(shè)計(jì)中運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化工作是降低成本，提高設(shè)計(jì)制造效率的有效方法。

［1］張繼春，徐斌，林波.Pro／ENGINEER Wildfire結(jié)構(gòu)分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1980.

［3］彭文生.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996.