基于ANSYS的天线结构CAE平台的开发

作者：杜敬利 仇原鹰 段宝岩

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 摘要：天线结构的有限元建模需要深厚的力学基础和工程经验，开发周期长，难度大，而且各企业购买的CAE软件由于操作复杂并未得到充分利用。针对这种情况，提出以ANSYS为基础进行二次开发，建立面向面天线结构的虚拟仿真平台。从而降低开发的复杂性，使天线结构的有限元快速建模仿真成为可能。 关键词：天线结构设计；CAE；有限元分析；ANSYS二次开发 1引言 天线广泛应用于通信、雷达、电子对抗等领域，在国防应用中更是必不可少，但目前由于没有专用于天线设计的应用程序而使天线的设计效率大为降低。虽然有各种CAD、CAE系统，如：AutoCAD、ANSYS、I-deas等，但由于它们不是专门针对天线设计的，其操作相当复杂，需要经验丰富的技术人员。 调查表明，虽然企业普遍购买了CAE软件，但应用的情况并不理想。主要原因是：有限元建模分析需要设计者具有相当深厚的力学基础、很强的计算机应用能力和丰富的工程设计经验，往往只有少数人能够使用这些软件解决工程问题。实际工作中，需要一种面向面天线结构设计的有限元快速建模软件。设计者只需输入一些基本的控制参数，便可得到典型结构的有限元建模方案，帮助设计者快速建立合理的有限元模型，得到正确可靠的评价结果。 因此，开发专门针对抛物面天线结构设计的虚拟制造平台具有广阔的应用前景。实际经验表明，在产品概念设计阶段使用有限元分析最为有效，在样机生成之前用其检验最终设计也同样有效，如图1所示。 大型有限元分析程序ANSYS作为优秀的CAE软件，提供了与各种CAD软件的接口，并可方便地进行二次开发，作为面天线的仿真平台无疑是一个很好的选择。 2抛物面天线的设计 抛物面天线结构一般由中心体、背架、反射面、加强筋等组成。整个天线结构呈现旋转对称性，适合参数化造型。抛物面天线结构设计的要求就是使天线结构在各种风载荷和重力载荷的作用下不被破坏，其反射面精度（即反射面保持理论抛物面的程度）达到所提出的指标要求，从而保证天线的工作性能。在此前提下，尽量合理地选择结构形式，材料规格，使天线结构重量轻，耗材料，造价低。 根据抛物面天线结构旋转对称的特点，利用ANSYS软件强大的前处理功能，可以方便快速地建立天线结构的分析模型，显著提高天线结构设计的能力和效率，提高面天线的创新设计能力，改进产品性能。天线结构设计完成以后，按照规定，应该对天线的结构性能进行预测，预测的范围包括结构重量、尺寸、震动频率、惯性力、结构刚度（变形）和强度（失效）、是否可以满足电性能指标等。 天线结构设计的根本目标，是设计出能够确保天线性能指标（例如电效率）的机械结构。一些相对优秀的结构，例如重量轻、尺寸小等等，常常能带来巨大的经济效益。结构设计的过程也应当是一个不断寻找最优结构的过程。从结构设计的角度讲，天线背架的结构类型、拓扑结构、截面形状、尺寸等因素都会影响天线的性能指标。天线结构优化包括了结构类型优化、拓扑优化、形状优化和尺寸优化。ANSYS本身包含优化模块，提供两种优化方法，可以处理绝大多数的优化问题。 3CAE平台ANSYS ANSYS有限元分析软件是世界上著名的大型通用有限元计算软件，包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，内置有百余种单元类型。强大的求解功能几乎可对各种情况进行建模求解，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个良好的工作环境。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。 ANSYS也是一优秀的开放式有限元分析软件，提供专门语言APDL（ANSYS参数化设计语言）可方便地进行二次开发。有限元分析的标准过程包括定义模型及载荷、求解和解释结构，APDL可用智能分析的手段自动完成上述过程。APDL接近程序设计语言，具有标量变量、数组变量、表达式和函数、分支和循环、用户程序等应用对象，易于进行开发，是ANSYS二次开发最重要的工具。 ANSYS的后处理功能及报告生成器能用于获取求解分析过程中的信息，可以通过GUI或在批处理过程中调用，允许获得的信息包括图片、动画、表格以及输出信息等，并能自动组装成HTML格式的报告文件。 同时，ANSYS内置有完善的优化功能，可处理绝大多数工程问题。这表明ANSY是一个很理想的CAE开发平台。 4抛物面天线的建模仿真 总结抛物面天线结构设计中的共性技术问题及其解决方案，以此为基础便可建立适用于面天线结构设计的虚拟制造平台。在设计时应注重交互性与自动性并重，应用该平台能方便快速地对抛物面天线进行建模仿真，必将加快天线的开发设计，降低开发成本。 天线建模仿真的基本流程如图2所示，首先在用户整体控制下形成一个典型的三维天线模型，用户能在此模型的基础上方便地进行局部修改，当用户修改满意后，便可进入有限元分析模块，对模型进行各种有限元分析，评估天线性能，在此模块中也可对天线结构进行优化。 4.1面天线参数化设计系统 面天线参数化设计系统用于快速建立抛物面天线的整体模型，系统流程如图3，用户在此模型基础上进行修改即可满足实际的需要。 该系统可从整体上方便地控制天线的结构，包括反射面形状、骨架、对反射面进行自动分块，由辐射梁、环梁及副梁信息自动生成背架，以及生成反射面与骨架的连接等。从而形成抛物面天线的雏形，构成了用户操作的基础。利用ANSYS强大的交互功能，可此三维模型的基础上进行操作，修改模型。 4.2局部结构的调整 ANSYS是交互性很好的CAE软件，用户在此三维模型的基础上，可直接利用ANSYS内置的交互功能修改模型，亦可编写一些常用的宏对抛物面或背架进行修改，如重新指定材料类型等，如图4。图5是一个10m天线模型（只显示了背架）。当用户修改满意后便可进入有限元分析模块，对当前模型进行求解。 4.3有限元分析模块 ANSYS可对实体模型进行自动网格划分，而且划分后不满意，可重新进行划分，故能方便地由实体模型得到线框模型。网格划分后可进行各种分析，处理分析结果，分析流程如图6。 ANSYS强大的分析求解器能进行各种形式的分析，满足天线设计的需要，主要包括： 4.3.1结构静力分析 可对天线在各种指向的情况下进行静重力分析，得到结构的应力、变形、变形的均方根值，也可以同时得到结构的质量、质心、转动惯量、约束反力等数据。它们都是天线结构设计中的重要参数。 4.3.2结构动力分析 利用ANSYS的瞬态分析功能可针对各种变载荷进行分析，可针对天线在风力、基础随机振动、冲击等作用下的响应进行求解。还可进行模态分析，得到结构的固有频率与振型，进行谐响应分析，快速得到结构在正弦力作用下的稳态响应。它们也是天线设计中不可缺少的参数。 4.3.3热分析 热分析归结为ANSYS的静力分析，ANSYS本身能方便地进行各种热分析。可针对天线由于制造温度与室外温度的不同或由于阳光照射造成阴阳面的温差而产生的变形进行分析。 当有限元分析完成后便可进入后处理模块查看结果。 4.3.4后处理模块 ANSYS具有优秀的后处理功能，有通用后处理器Post1和时间历经后处理器Post26两个后处理器，能以数据列表、图形和动画的形式简单形象地查看结果。 新版ANSYS的报告生成器能获取求解分析过程中的信息，允许获得的信息包括图片、动画、表格以及输出信息等，并自动组装成HTML格式的报告文件。 ANSYS后处理中的矩阵运算功能，使均方根值的计算变得非常简便快捷。TABLE型的矩阵具有内置的线性插值功能，可方便地对抛物面上任意点的变形进行插值。每一次计算之后，我们均能迅速得到天线结构的各种参数，从而判断设计的结构能否满足要求。 4.3.5ANSYS中的优化处理 优化设计能找出一种最优或次最优方案，提供一个高效率的模型。ANSYS应用程序提供了两种优化方法，零阶方法是一个很完善的处理方法，能有效处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，更适合精确的优化分析。对这两种方法，ANSYS提供一系列的分析——评估——修正的循环过程，可重复直到所有的设计要求都满足为止。 ANSYS提供的功能满足了天线结构设计中的各种需求，可方便地开发出针对天线结构设计的仿真平台。 5结束语 随着计算机技术的迅速发展，各种商用、通用的CAE软件已应用到天线结构设计领域的各部分，但使用情况并不理想。在这些CAE软件上进行二次开发，建立面向天线结构设计的CAE系统可以帮助设计者快速建立合理的有限元模型，得到正确可靠的评价结果，一般的设计者便可应用该平台进行天线结构的建模仿真。而以前天线结构的有限元建模工作必须由具有深厚力学基础和丰富的工程设计经验的工程师才能完成。这必将加快天线的开发周期，减少开发难度，降低开发成本，满足当今时代产品快速更新换代的需要。 参考文献 1 段宝岩.天线结构分析、优化与测量. 陕西：西安电子科技大学出版社，1998 2 叶尚辉. 天线结构设计. 陕西：西安电子科学大学出版社, 1986 3 2001 ANSYS中国用户年会优秀论文 4 ANSYS分析指南 5 面天线虚拟制造项技术. 用户访谈报告. 西安电子科技大学，2002(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/9/2004)