ANSYS軟件在拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究

肖飛

摘 要：ANSYS軟件主要包括三個部分，即前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(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)計中具有廣泛的應(yīng)用，可以在多個機(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；優(yōu)化設(shè)計；表面精度

中圖分類號：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.098

自從美國將ANSYS軟件開發(fā)出來以后，用戶不但可用其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體流動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)計水平。下面將簡單論述ANSYS軟件在天線設(shè)計中的應(yīng)用。

1 軟件組成以及優(yōu)缺點(diǎn)

ANSYS軟件包括前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。后處理模塊可將計算結(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)計的要求

拋物面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的最終目的就是天線結(jié)構(gòu)不會遭到外部環(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，形成一個旋轉(zhuǎn)對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。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，應(yīng)該盡量節(jié)省材料，以降低成本。

3 計算拋物面天線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度

首先應(yīng)該構(gòu)建一個有限元模型，通過軟件處理，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

4.1 ANSYS優(yōu)化流程和方法

利用設(shè)計語言PADL完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的錄入，設(shè)計者可以控制設(shè)計的屬性或分析屬性，以便建模，進(jìn)而優(yōu)化和分析整個設(shè)計過程。其中，主要采用零階方法和一階方法來處理和分析函數(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)工程問題；一階方法主要是使用因變量來改變數(shù)據(jù)，在每一次計算中確定方向，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)計為例，證明運(yùn)用ANSYS軟件可以優(yōu)化其設(shè)計，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，不會有其他因變量干擾設(shè)計，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)度一般都不會存在很大問題，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)時不是重點(diǎn)監(jiān)測對象，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)計要求精度范圍內(nèi)，構(gòu)建一個反射面重量最輕、剛度足夠的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化前后對比如表1所示。

4.3 重量的計算優(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算，然后對比并選擇最佳方案。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。軟件中有專門的優(yōu)化模塊，整個過程中，從假設(shè)因變量到建立模型，使用不同的參數(shù)進(jìn)行自動分析計算得出結(jié)果后可自動生成優(yōu)化分析文件。在優(yōu)化結(jié)束以后，人們還可以在計算機(jī)中看到整個優(yōu)化過程的變化，通過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)化計算。通過計算可知，ANSYS軟件確實(shí)能夠減輕整個結(jié)構(gòu)的重量，從而減輕天線座和傳動系統(tǒng)的重量，所以ANSYS軟件的運(yùn)用能夠有效彌補(bǔ)設(shè)計中的缺陷，而且實(shí)施起來十分便捷，是天線設(shè)計中值得廣泛推廣的方法。

4.4 預(yù)調(diào)天線并計算固有頻率

天線始終保持一種工作狀態(tài)。在同一種姿勢狀態(tài)下，天線反射面產(chǎn)生形變的原因就是重力這一變量。所以如果先計算出該狀態(tài)下受重力的變形情況，在安裝天線的時候就可以預(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算公式需利用ANSYS軟件處理，使得整個計算過程變得簡單，提高設(shè)計師的設(shè)計效率。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)，對比計算出的數(shù)值與規(guī)定數(shù)值，其結(jié)果比規(guī)定值小才算是一個成功的設(shè)計。而在過去，設(shè)計人員一般會采集反射面上各節(jié)點(diǎn)的形變值，工作量大，而且計算結(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，然后通過熟悉軟件的用法，能夠很快地計算出天線形變的均方根值，為天線設(shè)計提供了精確的數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié)束語

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)計水平，將設(shè)計方案提升到一個新的高度。利用ANSYS軟件進(jìn)行設(shè)計改良，能夠彌補(bǔ)以往人為方式設(shè)計的缺陷，使設(shè)計中各種數(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軟件提高了對天線結(jié)構(gòu)的沖擊、諧響應(yīng)、響應(yīng)譜和隨機(jī)振動等各方面的分析效率，在實(shí)際設(shè)計中被廣泛運(yùn)用，大大縮短了設(shè)計時間，提高了設(shè)計質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]王偉.大型星載薄膜天線結(jié)構(gòu)—熱—電磁耦合問題分析[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[2]白前.基于FEKO的圓拋物面天線電性能分析系統(tǒng)開發(fā)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

〔編輯：王霞〕