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摘要：天线是卫星通信中发射和接收微波信号的主要设备。随着卫星通信事业的发展，天线的应用也已迅速推广。对于天线结构而言，合理的设计应该确保在各种环境下，使天线精确地保持形状和姿态。本文在总结天线结构设计经验的基础上，介绍了如何运用Pro/E软件对结构进行实体建模和分析的一般步骤，提出了有限元分析模型建立的一些方法。
关键词：天线；Pro/E技术；结构设计
Abstract: The antenna is the main equipment to transmit and receive microwave signals in satellite communication. With the development of satellite communications, antenna application has also been rapidly popularized. For the antenna structure, reasonable design should ensure that in a variety of environments, the antenna accurately maintain shape and attitude. In this paper, based on summarizing the experience of architecture design of antenna, this paper introduces how to use the general steps of Pro/E software modeling and analysis to the structure, and puts forward some methods for the finite element analysis model is established.
Keywords: antenna; Pro/E technology; structure design
中圖分类号：TU2 文献标识码：文章编号
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。
随着各种先进计算机辅助设计软件的推广应用，采用功能强大的CAD及CAE软件对天线结构进行设计分析已成为可能，从而可以大幅度提高设计质量和效率。目前先进的CAD软件Pro/ENGINEER可直接进行三维实体设计，其强大的特征(Feature)建模技术可以迅速捕捉对象，生成产品几何模型，并能对建立的实体模型自动进行有限元网格的划分，将划分好的模型输出到有限元分析软件。
1 Pro/E结构设计的一般流程
传统机械产品设计过程是先制定设计方案,通过理论分析,计算其运动学或者动力学特性,然后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程单就运动学或者动力学特性分析而言,要经过大量的图解计算或分析计算,繁琐而复杂。运用Pro/E进行仿真分析,能大大缩短设计周期,其工作流程如图1所示。
图1 工作流程
1.1 参数化建模
参数化建模是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法,采用参数化模型,通过调整参数来修改和控制几何形状,为零件乃至整个产品的自动化驱动更新提供了基础。
1.2 机构装配
装配过程就是确定装配体中各组成零件如何连接的过程,零件之间的连接关系即为装配关系。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束,Pro/E在装配中提供了多种连接约束,有销钉、平面、球、轴承等。
1.3 机构分析
机构分析模块是Pro/E的一个仿真模块,在机构分析中通过伺服电机驱动机构运动,还可以添加运动副、阻尼等来模拟现实中的外部环境,进而分析机构的运动特点。通过仿真分析能够得到机构元件的位置、速度及关键部件的受力情况,从而检查机构的运动能否达到设计要求,并为后面的结构分析提供负荷输出。
1.4 结构强度分析
当机构分析获得系统静态和动态载荷后,就可以确定其典型工况下的受力情况并进行结构的强度分析。这里主要是应用Pro/MECHANICA STRUCTURE结构分析软件包对其进行结构分析和优化分析,由于理论已经软件化,即使非专业分析工程师也能进行复杂模型的结构分析,大大提高了设计效率,增加产品的安全性。
2用Pro/E建立模型的方法
对于类似天线结构这样空间尺寸繁多的产品，通过Pro/ENGINEER强大的造型功能够迅速建立实体模型，并且修改很方便。借助Pro/Mesh模块提供的有限元网格划分功能，可将模型划分为实体(Solid)、板壳(Shell)或梁(Beam)等单元，并在此基础上添加约束和载荷，最终传递给有限元分析模块Pro/mechanic或其他分析软件，如ANSYS等进行计算。
随着近年来三维设计软件的迅速推广，迅速地建立实体模型已不是什么难事，问题是如何使模型直接转化为正确的分析模型，下面就谈谈用Pro/ENGINEER建模时常采用的一些方法。
2.1 简化模型
简化模型是指忽略零件(Part)或装配(Assembly)中的细节。由于实际结构往往是复杂的，如果完全按实物建立有限元模型，实际上是不必要的，有时甚至是不可能的。因此，在进行有限元网格划分前，常常将零部件上的一些细节特征做压缩(Suppress)处理。在压缩这些特征之前，必须注意以下几点。
（1）压缩特征是否会改变分析模型的特性。换句话说，就是看特征是保证结构强度必须的基本特征还是仅为修饰特征（Cosmetic），我们需要压缩的是修饰特征。这些特征一般包括圆角(Round)、棱角(Chamfer)、小的槽 (Groove)和定位孔等。切忌在进行所有的分析之前都要考虑特征的压缩。另外，对于模态分析(Modal)或热分析(Thermal)、可以压缩的特征也许并不适用于强度分析(Structural)，比如在模态分析中可以忽略那些能够产生应力集中的特征，并且不影响刚度，但在强度分析中就必须考虑这些因素。
（2）压缩特征是否会影响敏感度(Sensitivity)和优化分析(Optimization)。如果分析目的是减少质量，那么上面提到的修饰特征就会起到关键作用，一个圆角的半径也许就是优化参数，虽然它只是一个修饰特征，但会显著影响优化分析过程。
（3）压缩特征时注意特征间的父子关系。如果被压缩的特征是其他关键特征的父特征，那么就必须重新定义父子关系。
2.2 尽量采用板、梁单元
任何零部件都是三维的，但是当某一个方向或某两个方向的尺寸远小于其他方向的尺寸时，就可以简化为板或杆，这种简化称之为减维。在Pro/ENGINEER中如果采用实体单元，则划分有限元网格所用的时间要比用板单元所用的时间多数十倍甚至更多，而对一些单元划分比较小的复杂零部件，更有可能造成划分失败或计算溢出。因此在不影响计算精度的情况下，尽量采用板、梁单元是科学经济的方法。
2.3 实体模型
采用面(Surface)、薄壁(Thin Protrusions)、筋(Rib)等特征或Sheetmetal建立实体模型。前面提到用板单元进行有限元网格划分比用实体单元更快捷有效，这必须在建模初期就予以考虑，由于Pro/mesh模块能自动抽取由薄壁、筋等特征的中性面(Midsurface)生成板單元，从而大大提高有限元网格划分效率，所以应在建模时应多采用这些特征，不然就要在网格划分时进行人工操作，造成时间的浪费。这里特别要注意的是在零件或装配中，无论是等厚度还是变厚度，必须使特征或零件的中性面成为连在一起的整体，否则会造成单元中断。对于零件中变厚度问题，可先将中性面作为第一个特征做出，然后再向两个方向生成薄壁(Use Quilt-Both Side)即可。
2.4 控制单元的形态比
各种单元一般都有理想的形态，如三角形单元的理想形态是等边三角形，四边形单元的理想形状是正方形。但是实际上不可能都用理想形状单元去离散形状各异的结构，因此只有注意控制单元的形态，尽量使划分后的网格单元有较好的形态，避免面积很小的尖角元或体积很小的薄元，以提高计算精度。在Pro/ENGINEER中，可在配置文件Pro.config中通过对Fem_asp_ratio、Fem_edge_angle和Fem_taper等变量的修改来控制单元的质量。
2.5 合理规划有限元网络的布局
根据误差分析，应力的误差与单元的尺寸成正比，位移的误差与单元的平方成正比。由此可见，单元划分得越小，计算结果精度越高；但另一方面，单元数越多，计算工作量也就越大。因此，必须根据精度要求确定网格的疏密。一般来说，在边界曲率较大的部位，单元应该小些，在边界曲率比较平缓的部位，单元可大些。在Pro/Mesh中可通过Mesh Control对有限元网格疏密进行控制。
3 结束语
利用Pro/E可以有效地对运动机构进行分析,Pro/E软件系统各功能模块的综合应用减少了不同功能软件系统在数据交换中的错误, Pro/E还是建立在统一的基础数据库上,这为设计人员提供了协同工作环境,极大地改进了产品的设计过程,并且保证产品数据的一致性。在本例的结构分析中,中间连杆所受的载荷由机构分析中的载荷输出得到,这样可节省大量人工计算的时间,减少人为计算误差,为后续分析提供一系列可靠的数据。
关键词：天线；Pro/E技术；结构设计
Abstract: The antenna is the main equipment to transmit and receive microwave signals in satellite communication. With the development of satellite communications, antenna application has also been rapidly popularized. For the antenna structure, reasonable design should ensure that in a variety of environments, the antenna accurately maintain shape and attitude. In this paper, based on summarizing the experience of architecture design of antenna, this paper introduces how to use the general steps of Pro/E software modeling and analysis to the structure, and puts forward some methods for the finite element analysis model is established.
Keywords: antenna; Pro/E technology; structure design
中圖分类号：TU2 文献标识码：文章编号
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。
随着各种先进计算机辅助设计软件的推广应用，采用功能强大的CAD及CAE软件对天线结构进行设计分析已成为可能，从而可以大幅度提高设计质量和效率。目前先进的CAD软件Pro/ENGINEER可直接进行三维实体设计，其强大的特征(Feature)建模技术可以迅速捕捉对象，生成产品几何模型，并能对建立的实体模型自动进行有限元网格的划分，将划分好的模型输出到有限元分析软件。
1 Pro/E结构设计的一般流程
传统机械产品设计过程是先制定设计方案,通过理论分析,计算其运动学或者动力学特性,然后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程单就运动学或者动力学特性分析而言,要经过大量的图解计算或分析计算,繁琐而复杂。运用Pro/E进行仿真分析,能大大缩短设计周期,其工作流程如图1所示。
图1 工作流程
1.1 参数化建模
参数化建模是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法,采用参数化模型,通过调整参数来修改和控制几何形状,为零件乃至整个产品的自动化驱动更新提供了基础。
1.2 机构装配
装配过程就是确定装配体中各组成零件如何连接的过程,零件之间的连接关系即为装配关系。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束,Pro/E在装配中提供了多种连接约束,有销钉、平面、球、轴承等。
1.3 机构分析
机构分析模块是Pro/E的一个仿真模块,在机构分析中通过伺服电机驱动机构运动,还可以添加运动副、阻尼等来模拟现实中的外部环境,进而分析机构的运动特点。通过仿真分析能够得到机构元件的位置、速度及关键部件的受力情况,从而检查机构的运动能否达到设计要求,并为后面的结构分析提供负荷输出。
1.4 结构强度分析
当机构分析获得系统静态和动态载荷后,就可以确定其典型工况下的受力情况并进行结构的强度分析。这里主要是应用Pro/MECHANICA STRUCTURE结构分析软件包对其进行结构分析和优化分析,由于理论已经软件化,即使非专业分析工程师也能进行复杂模型的结构分析,大大提高了设计效率,增加产品的安全性。
2用Pro/E建立模型的方法
对于类似天线结构这样空间尺寸繁多的产品，通过Pro/ENGINEER强大的造型功能够迅速建立实体模型，并且修改很方便。借助Pro/Mesh模块提供的有限元网格划分功能，可将模型划分为实体(Solid)、板壳(Shell)或梁(Beam)等单元，并在此基础上添加约束和载荷，最终传递给有限元分析模块Pro/mechanic或其他分析软件，如ANSYS等进行计算。
随着近年来三维设计软件的迅速推广，迅速地建立实体模型已不是什么难事，问题是如何使模型直接转化为正确的分析模型，下面就谈谈用Pro/ENGINEER建模时常采用的一些方法。
2.1 简化模型
简化模型是指忽略零件(Part)或装配(Assembly)中的细节。由于实际结构往往是复杂的，如果完全按实物建立有限元模型，实际上是不必要的，有时甚至是不可能的。因此，在进行有限元网格划分前，常常将零部件上的一些细节特征做压缩(Suppress)处理。在压缩这些特征之前，必须注意以下几点。
（1）压缩特征是否会改变分析模型的特性。换句话说，就是看特征是保证结构强度必须的基本特征还是仅为修饰特征（Cosmetic），我们需要压缩的是修饰特征。这些特征一般包括圆角(Round)、棱角(Chamfer)、小的槽 (Groove)和定位孔等。切忌在进行所有的分析之前都要考虑特征的压缩。另外，对于模态分析(Modal)或热分析(Thermal)、可以压缩的特征也许并不适用于强度分析(Structural)，比如在模态分析中可以忽略那些能够产生应力集中的特征，并且不影响刚度，但在强度分析中就必须考虑这些因素。
（2）压缩特征是否会影响敏感度(Sensitivity)和优化分析(Optimization)。如果分析目的是减少质量，那么上面提到的修饰特征就会起到关键作用，一个圆角的半径也许就是优化参数，虽然它只是一个修饰特征，但会显著影响优化分析过程。
（3）压缩特征时注意特征间的父子关系。如果被压缩的特征是其他关键特征的父特征，那么就必须重新定义父子关系。
2.2 尽量采用板、梁单元
任何零部件都是三维的，但是当某一个方向或某两个方向的尺寸远小于其他方向的尺寸时，就可以简化为板或杆，这种简化称之为减维。在Pro/ENGINEER中如果采用实体单元，则划分有限元网格所用的时间要比用板单元所用的时间多数十倍甚至更多，而对一些单元划分比较小的复杂零部件，更有可能造成划分失败或计算溢出。因此在不影响计算精度的情况下，尽量采用板、梁单元是科学经济的方法。
2.3 实体模型
采用面(Surface)、薄壁(Thin Protrusions)、筋(Rib)等特征或Sheetmetal建立实体模型。前面提到用板单元进行有限元网格划分比用实体单元更快捷有效，这必须在建模初期就予以考虑，由于Pro/mesh模块能自动抽取由薄壁、筋等特征的中性面(Midsurface)生成板單元，从而大大提高有限元网格划分效率，所以应在建模时应多采用这些特征，不然就要在网格划分时进行人工操作，造成时间的浪费。这里特别要注意的是在零件或装配中，无论是等厚度还是变厚度，必须使特征或零件的中性面成为连在一起的整体，否则会造成单元中断。对于零件中变厚度问题，可先将中性面作为第一个特征做出，然后再向两个方向生成薄壁(Use Quilt-Both Side)即可。
2.4 控制单元的形态比
各种单元一般都有理想的形态，如三角形单元的理想形态是等边三角形，四边形单元的理想形状是正方形。但是实际上不可能都用理想形状单元去离散形状各异的结构，因此只有注意控制单元的形态，尽量使划分后的网格单元有较好的形态，避免面积很小的尖角元或体积很小的薄元，以提高计算精度。在Pro/ENGINEER中，可在配置文件Pro.config中通过对Fem_asp_ratio、Fem_edge_angle和Fem_taper等变量的修改来控制单元的质量。
2.5 合理规划有限元网络的布局
根据误差分析，应力的误差与单元的尺寸成正比，位移的误差与单元的平方成正比。由此可见，单元划分得越小，计算结果精度越高；但另一方面，单元数越多，计算工作量也就越大。因此，必须根据精度要求确定网格的疏密。一般来说，在边界曲率较大的部位，单元应该小些，在边界曲率比较平缓的部位，单元可大些。在Pro/Mesh中可通过Mesh Control对有限元网格疏密进行控制。
3 结束语
利用Pro/E可以有效地对运动机构进行分析,Pro/E软件系统各功能模块的综合应用减少了不同功能软件系统在数据交换中的错误, Pro/E还是建立在统一的基础数据库上,这为设计人员提供了协同工作环境,极大地改进了产品的设计过程,并且保证产品数据的一致性。在本例的结构分析中,中间连杆所受的载荷由机构分析中的载荷输出得到,这样可节省大量人工计算的时间,减少人为计算误差,为后续分析提供一系列可靠的数据。