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CAE/模拟仿真 |
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基于VC的某相控阵雷达的参数化有限元分析 |
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作者：中国电子科技集团38所 王梅 |
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1 前言
收发全DBF二维相控阵雷达结构是一种基于收/发全DBF设计思想的数字有源相控阵雷达系统，它不仅具有常规相控阵雷达的所有优良性能，同时具有更大的波束形成灵活性、更好的抗有源干扰和杂波性能， 同时具有有效降低全寿命周期成本、提高雷达系统的可靠性和可维护性等优点，是未来雷达技术发展的方向。
根据相控阵雷达总体对结构系统的要求，雷达天线要实现快速架设性、可分解性、快速模块替换与重装性小型化、快速灵活架设与可扩充性。基于这些要求，某雷达天线结构采用了一种可重构、可扩展的通用标准模块天线单元(DAU)，由M层N列DAU拼装而成。使雷达系统设计师可通过这些单元的简单组合实现满足战技指标的高性能雷达系统。
2 参数化的有限元结构分析
在拼装雷达天线结构中，拼装后的层叠结构的载荷变形是影响天线反射面精度的一个重要因素。在设计初期需考虑多种结构方案，经过前期分析比较后，选定最为合理的设计方案。
本文介绍的某数字雷达阵列天线结构，天线单元的总体结构形式已相对固定不变，所不同的只是一些结构尺寸及单元排列形式有所差异，这些差异是该种雷达结构分析的主要内容。如果采用传统的有限元分析方法，要反复进行“设计—建模—分析—修改设计—再建模—再分析”的过程，这造成有限元建模与处理结果时存在着大量的重复性工作，影响到设计分析的效率。
为克服上述重复建模与分析带来的问题，在有限元建模与分析过程中， 引入结构参数化设计的思想，采用参数化建模方法对DAU单元尺寸进行替换，这样对于不同结构尺寸的产品只需要改变相应参数化尺寸的值就可以自动迅速的得到相应的天线单元计算模型，省去了大量重复过程，提高了设计分析效率。
本文利用有限元分析软件ANSYS自带的A PDL (A nsys Parametric DesignL anguage) 语言实现了天线单元的参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。
3 用VC编程实现对ANSYS参数化分析的封装
使用ANSYS的APDL对天线单元进行参数化有限元分析，可以灵活的控制分析几何模型，减少分析工作量，但由于APDL 语言本身固有的局限性，使得开发出来的程序可读性、维护性及扩充性差。而且这种分析不能提供图形化界面输入，在对天线单元结构相关尺寸或排列方式进行修改时，不直观不方便。因此，我们应用面向对象的程序设计语言VC，对该APDL分析程序做了扩展和封装，设计出方便的图形化参数输入界面，用VC 语言强大方便的功能，完成复杂模型的建立，结合APDL 语言，自动完成分析全过程，并得到该系列结构的计算结果。
程序设计的第一步是利用上述Ansys建立分析模型的参数化APDL代码，在VC 中根据模型的参数化A PDL代码进行编程。程序运行流程如图1 所示。程序需要实现的功能有：①模型参数通过对话框输入；②根据输入的参数自动形成相应的A PDL命令文本；③程序能自动调用Ansys并执行APDL命令文本；④分析结果文件能直接在程序中查看。程序的流程如图1所示。
图1 程序运行流程图
在VC中要启动应用程序Ansys接口技术，有多个函数可以使用，例如WinExec、ShellExecute和CreateProcess函数等。CreateProcess 函数创建一个进程，去执行其它程序， 它可以指定进程的安全属性、继承信息和类的优先级等， 因此选择CreateProcess 函数启动VC，其函数原型如下：
BOOL CreateProcess (
LPCTSTR lpApplicationName, //可执行模块名
LPTSTR lpCommandLine, //命令行字符串
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes, //进程的安全属性
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, //进程的安全属性
BOOL bInheritHandles, //句柄继承标志
DWORD dwCreationFlags, //创建标志
LPVOID lpEnvironment, //指向新的环境块的指针
LPCTSTR lpCurrentDirectory, //指向当前目录名的指针
LPSTARTUPINFO lpStartupInfo, //指向启动信息结构的指针
LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation //指向进程信息结构的指针
)；
程序运行时，首先输入参数，界面如图2所示。其中Material parameters域、Assembily parameters域和Structure parameters域是用以修改材料、单个DAU结构参数和DAU装配层、列数。而Work options用来设定启动ANSYS Batch进程进行分析时的工作目录、工作名等。完成参数输入及选择后， 程序自动生成A PDL 代码。点击启动Start Ansys Batch菜单项，启动Ansys 批处理，自动在后台运行ANSYS的A PDL批处理命令文件，完成一个系列DAU拼装的有限元分析计算。点击相应按钮即可直接计算结果如图3、图4所示。
图2 参数输入及选择对话框
图3 位移云图
图4 应力云图
4 结论和展望
本文利用VC对ANSYS的前后处理进行二次开发，借助VC语言的强大功能，结合APDL参数化语言，只需进行简单的参数输入和选择，即可自动完成建模、加载、分析。这样就把Ansys的具体编程封装起来，使专用程序具备良好的交互性，特别是能够方便地嵌入参数优化、CAD/CAE和可视化前后处理功能，使得工程人员在进行有限元分析时，不必考虑有限元分析程序的具体内容。为今后进行结构设计及分析工作的工程师提供了新的方法和途径。 (end)
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(7/14/2007) |
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