ProE和ANSYS軟件在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用

1、Pro/E和ANSYS軟件在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用         1  引言    天線是衛(wèi)星通信中發(fā)射和接收微波信號(hào)的主要設(shè)備。隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展，天線的應(yīng)用也已迅速推廣。對(duì)于天線結(jié)構(gòu)而言，合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該確保在各種環(huán)境下，使天線精確地保持形狀和姿態(tài)。目前，天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析已自成體系，其中關(guān)鍵部分就是設(shè)計(jì)模型的建立及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的剛強(qiáng)度分析和變形的計(jì)算。以往多采用經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)材料力學(xué)簡(jiǎn)化計(jì)算相結(jié)合的方法，但這一方法在很大程度上取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，并且往往使設(shè)計(jì)偏于保

2、守，致使產(chǎn)品重量大，成本高，尤其在當(dāng)前客戶要求越來越多樣化的情況下，已不能適應(yīng)瞬息萬變的市場(chǎng)要求。    隨著各種先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的推廣應(yīng)用，采用功能強(qiáng)大的CAD及CAE軟件對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析已成為可能，從而可以大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。目前先進(jìn)的CAD軟件Pro/ENGINEER可直接進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，其強(qiáng)大的特征(Feature)建模技術(shù)可以迅速捕捉對(duì)象，生成產(chǎn)品幾何模型，并能對(duì)建立的實(shí)體模型自動(dòng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，將劃分好的模型輸出到有限元分析軟件。而ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體和電磁于一體的大型通用有限元分析軟件，提供了有限元計(jì)算的優(yōu)異分析

3、功能，可獲得良好的計(jì)算精度，并且可與Pro/ENGINEER集成在一起。    本文在總結(jié)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，介紹了如何運(yùn)用上述兩種軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模和分析的一般步驟，提出了有限元分析模型建立的一些方法。    2  結(jié)構(gòu)建模和分析的基本步驟    天線結(jié)構(gòu)的分析屬于固體力學(xué)問題，通常采用有限元法進(jìn)行計(jì)算。一般來說，天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析是由以下幾步組成的。    （1）建立設(shè)計(jì)模型。    （2）結(jié)構(gòu)離散化，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

4、    （3）建立邊界條件，施加約束。    （4）計(jì)算節(jié)點(diǎn)載荷。    （5）組成整體剛陣，求解有限元方程。    （6）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理、分析。    上述步驟中的（1）、（2）、（3）、（4）稱為有限元分析的前處理，步驟（6）稱為有限元分析的后處理。關(guān)于固體力學(xué)的有限元法已有很多專著作了詳細(xì)的分析，這里不再一一贅述?，F(xiàn)主要對(duì)如何在Pro/ENGINEER和ANSYS兩種軟件環(huán)境中進(jìn)行具體操作進(jìn)行概述：首先在Pro/ENGINEER中建立實(shí)

5、體模型，并輸入材料特性，主要包括彈性模量、泊松比和密度等，注意單位的選取必須與在ANSYS中相同，否則將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的偏差。然后在Pro/Mesh模塊中進(jìn)行有限元網(wǎng)絡(luò)的劃分，確定坐標(biāo)系，施加載荷及約束，定義分析名稱，從而建立分析模型。運(yùn)行(Run)分析，從中選擇ANSYS作為解算器，生成一個(gè)名為*.ans的文件（也可選用后臺(tái)直接運(yùn)行等），這樣就可以在Pro/ENGINEER中完成計(jì)算中所有的前處理過程。最后的計(jì)算及后處理在ANSYS中完成。進(jìn)入ANSYS后，讀入(Read input)前面生成的*.ans文件，此時(shí)可以檢查在Pro/ENGINEER中定義的材料特性、載荷及約束等是否有

6、誤，無誤則可直接進(jìn)行計(jì)算（Solve），并用后處理器(General Postprocessor)查看計(jì)算結(jié)果。圖1所示為一個(gè)天線座架的應(yīng)力分布圖。圖1 天線座架應(yīng)力云圖    3 用Pro/ENGINEER建立模型的方法    對(duì)于類似天線結(jié)構(gòu)這樣空間尺寸繁多的產(chǎn)品，通過Pro/ENGINEER強(qiáng)大的造型功能夠迅速建立實(shí)體模型，并且修改很方便。借助Pro/Mesh模塊提供的有限元網(wǎng)格劃分功能，可將模型劃分為實(shí)體(Solid)、板殼(Shell)或梁(Beam)等單元，并在此基礎(chǔ)上添加約束和載荷，最終傳遞給有限元分析模塊Pro/mec

7、hanic或其他分析軟件，如ANSYS等進(jìn)行計(jì)算。    隨著近年來三維設(shè)計(jì)軟件的迅速推廣，迅速地建立實(shí)體模型已不是什么難事，問題是如何使模型直接轉(zhuǎn)化為正確的分析模型，下面就談?wù)動(dòng)肞ro/ENGINEER建模時(shí)常采用的一些方法。    3.1 簡(jiǎn)化模型    簡(jiǎn)化模型是指忽略零件(Part)或裝配(Assembly)中的細(xì)節(jié)。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)往往是復(fù)雜的，如果完全按實(shí)物建立有限元模型，實(shí)際上是不必要的，有時(shí)甚至是不可能的。因此，在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分前，常常將零部件上的一些細(xì)節(jié)特征做壓縮(Suppress)處理

8、。在壓縮這些特征之前，必須注意以下幾點(diǎn)。    （1）壓縮特征是否會(huì)改變分析模型的特性。換句話說，就是看特征是保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須的基本特征還是僅為修飾特征（Cosmetic），我們需要壓縮的是修飾特征。這些特征一般包括圓角(Round)、棱角(Chamfer)、小的槽 (Groove)和定位孔等。切忌在進(jìn)行所有的分析之前都要考慮特征的壓縮。另外，對(duì)于模態(tài)分析(Modal)或熱分析(Thermal)、可以壓縮的特征也許并不適用于強(qiáng)度分析(Structural)，比如在模態(tài)分析中可以忽略那些能夠產(chǎn)生應(yīng)力集中的特征，并且不影響剛度，但在強(qiáng)度分析中就必須考慮這些因素。

9、60;   （2）壓縮特征是否會(huì)影響敏感度(Sensitivity)和優(yōu)化分析(Optimization)。如果分析目的是減少質(zhì)量，那么上面提到的修飾特征就會(huì)起到關(guān)鍵作用，一個(gè)圓角的半徑也許就是優(yōu)化參數(shù)，雖然它只是一個(gè)修飾特征，但會(huì)顯著影響優(yōu)化分析過程。    （3）壓縮特征時(shí)注意特征間的父子關(guān)系。如果被壓縮的特征是其他關(guān)鍵特征的父特征，那么就必須重新定義父子關(guān)系。    3.3 實(shí)體模型    采用面(Surface)、薄壁(Thin Protrusions)、筋(Rib)等特征或S

10、heetmetal建立實(shí)體模型。前面提到用板單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分比用實(shí)體單元更快捷有效，這必須在建模初期就予以考慮，由于Pro/mesh模塊能自動(dòng)抽取由薄壁、筋等特征的中性面(Midsurface)生成板單元，從而大大提高有限元網(wǎng)格劃分效率，所以應(yīng)在建模時(shí)應(yīng)多采用這些特征，不然就要在網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行人工操作，造成時(shí)間的浪費(fèi)。這里特別要注意的是在零件或裝配中，無論是等厚度還是變厚度，必須使特征或零件的中性面成為連在一起的整體，否則會(huì)造成單元中斷。對(duì)于零件中變厚度問題，可先將中性面作為第一個(gè)特征做出，然后再向兩個(gè)方向生成薄壁(Use Quilt-Both Side)即可。    3.4 控制單元的形態(tài)比    各種單元一般都有理想的形態(tài)，如三角形單元的理想形態(tài)是等邊三角形，四邊形單元的理想形狀是正方形。但是實(shí)際上不可能都用理想