proe和ANSYS軟件在天線結(jié)構(gòu)

2013-05-01 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

1 引言

天線是衛(wèi)星通信中發(fā)射和接收微波信號的主要設備。隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展,天線的應用也已迅速推廣。對于天線結(jié)構(gòu)而言,合理的設計應該確保在各種環(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)設計分析已自成體系,其中關(guān)鍵部分就是設計模型的建立及在此基礎(chǔ)上進行的剛強度分析和變形的計算。以往多采用經(jīng)驗類比設計與傳統(tǒng)材料力學簡化計算相結(jié)合的方法,但這一方法在很大程度上取決于設計人員的經(jīng)驗,并且往往使設計偏于保守,致使產(chǎn)品重量大,成本高,尤其在當前客戶要求越來越多樣化的情況下,已不能適應瞬息萬變的市場要求。

隨著各種先進計算機輔助設計軟件的推廣應用,采用功能強大的CAD及CAE軟件對天線結(jié)構(gòu)進行設計分析已成為可能,從而可以大幅度提高設計質(zhì)量和效率。目前先進的CAD軟件proeNGINEER可直接進行三維實體設計,其強大的特征(Feature)建模技術(shù)可以迅速捕捉對象,生成產(chǎn)品幾何模型,并能對建立的實體模型自動進行有限元網(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,提供了有限元計算的優(yōu)異分析功能,可獲得良好的計算精度,并且可與proeNGINEER集成在一起。

本文在總結(jié)天線結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,介紹了如何運用上述兩種軟件對結(jié)構(gòu)進行實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問題,通常采用有限元法進行計算。一般來說,天線結(jié)構(gòu)的設計分析是由以下幾步組成的。

    (1)建立設計模型。
    (2)結(jié)構(gòu)離散化,進行有限元網(wǎng)格劃分。
    (3)建立邊界條件,施加約束。
    (4)計算節(jié)點載荷。
    (5)組成整體剛陣,求解有限元方程。
    (6)對計算結(jié)果進行整理、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)于固體力學的有限元法已有很多專著作了詳細的分析,這里不再一一贅述。現(xiàn)主要對如何在proeNGINEER和ANSYS兩種軟件環(huán)境中進行具體操作進行概述:首先在proeNGINEER中建立實體模型,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,否則將導致計算結(jié)果出現(xiàn)數(shù)量級的偏差。然后在Pro/Mesh模塊中進行有限元網(wǎng)絡的劃分,確定坐標系,施加載荷及約束,定義分析名稱,從而建立分析模型。運行(Run)分析,從中選擇ANSYS作為解算器,生成一個名為*.ans的文件(也可選用后臺直接運行等),這樣就可以在proeNGINEER中完成計算中所有的前處理過程。最后的計算及后處理在ANSYS中完成。進入ANSYS后,讀入(Read input)前面生成的*.ans文件,此時可以檢查在proeNGINEER中定義的材料特性、載荷及約束等是否有誤,無誤則可直接進行計算(Solve),并用后處理器(General Postprocessor)查看計算結(jié)果。圖1所示為一個天線座架的應力分布圖。

3 用proeNGINEER建立模型的方法

對于類似天線結(jié)構(gòu)這樣空間尺寸繁多的產(chǎn)品,通過proeNGINEER強大的造型功能夠迅速建立實體模型,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/mechanic或其他分析軟件,如ANSYS等進行計算。

隨著近年來三維設計軟件的迅速推廣,迅速地建立實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,下面就談談用proeNGINEER建模時常采用的一些方法。

3.1 簡化模型

簡化模型是指忽略零件(Part)或裝配(Assembly)中的細節(jié)。由于實際結(jié)構(gòu)往往是復雜的,如果完全按實物建立有限元模型,實際上是不必要的,有時甚至是不可能的。因此,在進行有限元網(wǎng)格劃分前,常常將零部件上的一些細節(jié)特征做壓縮(Suppress)處理。在壓縮這些特征之前,必須注意以下幾點。

(1)壓縮特征是否會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。切忌在進行所有的分析之前都要考慮特征的壓縮。另外,對于模態(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)生應力集中的特征,并且不影響剛度,但在強度分析中就必須考慮這些因素。

(2)壓縮特征是否會影響敏感度(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起到關(guān)鍵作用,一個圓角的半徑也許就是優(yōu)化參數(shù),雖然它只是一個修飾特征,但會顯著影響優(yōu)化分析過程。

(3)壓縮特征時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。

3.2 盡量采用板、梁單元

任何零部件都是三維的,但是當某一個方向或某兩個方向的尺寸遠小于其他方向的尺寸時,就可以簡化為板或桿,這種簡化稱之為減維。在proeNGINEER中如果采用實體單元,則劃分有限元網(wǎng)格所用的時間要比用板單元所用的時間多數(shù)十倍甚至更多,而對一些單元劃分比較小的復雜零部件,更有可能造成劃分失敗或計算溢出。因此在不影響計算精度的情況下,盡量采用板、梁單元是科學經(jīng)濟的方法。

3.3 實體模型

采用面(Surface)、薄壁(Thin Protrusions)、筋(Rib)等特征或Sheetmetal建立實體模型。前面提到用板單元進行有限元網(wǎng)格劃分比用實體單元更快捷有效,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,所以應在建模時應多采用這些特征,不然就要在網(wǎng)格劃分時進行人工操作,造成時間的浪費。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,否則會造成單元中斷。對于零件中變厚度問題,可先將中性面作為第一個特征做出,然后再向兩個方向生成薄壁(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。但是實際上不可能都用理想形狀單元去離散形狀各異的結(jié)構(gòu),因此只有注意控制單元的形態(tài),盡量使劃分后的網(wǎng)格單元有較好的形態(tài),避免面積很小的尖角元或體積很小的薄元,以提高計算精度。在proeNGINEER中,可在配置文件Pro.config中通過對Fem_asp_ratio、Fem_edge_angle和Fem_taper等變量的修改來控制單元的質(zhì)量。

3.5 合理規(guī)劃有限元網(wǎng)絡的布局

根據(jù)誤差分析,應力的誤差與單元的尺寸成正比,位移的誤差與單元的平方成正比。由此可見,單元劃分得越小,計算結(jié)果精度越高;但另一方面,單元數(shù)越多,計算工作量也就越大。因此,必須根據(jù)精度要求確定網(wǎng)格的疏密。一般來說,在邊界曲率較大的部位,單元應該小些,在邊界曲率比較平緩的部位,單元可大些。在Pro/Mesh中可通過Mesh Control對有限元網(wǎng)格疏密進行控制。

下面結(jié)合一個實例來對上述方法做進一步說明。圖2是一個微波喇叭,由于天線需長期工作在室外,所承受的主要載荷來自風力,作為裸露在外的天線部件,喇叭必須能在強風狀態(tài)下正常工作,變形不能超過許用值。首先在proeNGINEER中建立分析模型,從圖2可以看出,喇叭上有一些孔和倒角,這些特征是出于工藝性考慮,不影響結(jié)構(gòu)的受力狀況,為此可在建立分析模型將這些特征忽略,簡化后的模型如圖3所示。

在進行有限元網(wǎng)格劃分時,考慮到板厚尺寸遠小于其他方向的尺寸,因此可將其按板單元進行劃分。由于在創(chuàng)建實體時均使用薄壁特征(Thin),并控制了特征間的結(jié)合,所以可以直接通過自動檢查(Auto Detect)中性面而生成板單元。為了更準確了解關(guān)鍵部位(中間法蘭)的應力分布,可通過控制此處單元網(wǎng)格大小來得到更高的計算精度。對圖2模型最終共劃分了782個節(jié)點和767個四邊形單元,并輸入到ANSYS中,完成后的有限元分析模型如圖4所示,施加約束及載荷后,計算得出的變形如圖5所示。

4 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,通過運用CAD、CAE等先進設計手段,可以大幅度縮短產(chǎn)品的設計周期,并且能夠在滿足設計要求的前提下,提高產(chǎn)品的設計水平。合理使用CAE技術(shù)更可以及時發(fā)現(xiàn)設計中的問題,為設計人員提供可靠的分析數(shù)據(jù),從而保證設計的成功率。

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