网站地图 联系我们 在线留言

中文版 English

科研技术
树脂系统
增强材料
设计技术
工艺技术
检测方法
产品应用
专利介绍

设计技术 Technology您的当前位置:首页 / 科研技术 / 设计技术 / 浏览文章

ANSYS优化设计功能在雷达天线罩

丁  军
(上海玻璃钢研究院有限公司,上海201404)

摘  要

本文应用ANSYS的优化设计模块对雷达天线罩进行了有限元分析。通过分析计算得到天线罩在满足结构强刚度条件下的最佳厚度尺寸,为进一步天线罩设计提供参考依据。
关键词:ANSYS 优化设计 有限元分析
1  概 述
雷达天线罩简称天线罩或雷达罩。它的作用是在雷达天线的周围形成一个封闭的空间,将转动工作的雷达天线罩于其中,以保护雷达天线系统免受大气环境的直接作用。由于天线罩的遮挡,天线系统可不受风、沙、雨、雪、冰雹的侵袭,这将降低天线驱动装置的设计功率和减少天线转动实际消耗的能源,并且避免了因气候等对天线系统的影响,因此也大大简化和减轻了天线系统的日常维护修理工作,延长了雷达的使用寿命。但是架设天线罩会使天线的电性能有所降低,例如引起波束偏离、波瓣畸变、传输损耗和反射功率损耗等,影响了雷达的精度并降低了雷达的有效作用距离。
一般来说,天线罩罩壁越厚,结构性能会越好,但电性能会越差。在设计雷达罩罩壁厚度时要充分考虑结构和电性这一对矛盾,根据天线及天线罩使用环境确定合适的壁厚,争取设计出在结构、电性能上表现优异,同时轻巧美观、经济实用又方便安装的雷达罩[1]。
ANSYS是集前后置处理、求解器为一体的具有强大解算功能的有限元软件,它集成了很多先进技术来优化计算过程,并将其模块化,比如接触关系的模拟、子模型、优化设计[2]等。
本文将结合某型号天线罩(见图1),采用ANSYS的优化设计模块,对其进行优化设计,求解同时满足结构性能要求和电性能要求的最佳厚度尺寸。

 

点击浏览下一页

图1  某型号天线罩


2  优化设计
2.1  生成优化分析文件[3]
分析文件是ANSYS优化设计过程中的关键部分,ANSYS程序运用分析文件构造循环文件,进行循环分析。分析文件中,模型必须是参数化建立的,结果也必须用参数来提取。完成后,保存为“radome.inp”。
2.1.1  参数化建模
天线罩半径r,高度h,初始壁厚t0=0.012,载荷为均布压力p, 材料性能见表1,底部约束为固支。进入前处理器(prep7),对天线罩进行建模并加载(见图2)。
 

材质

密度

kg/m3

弹性模量(GPa

泊松比

剪切模量(GPa

Ex

Ey

Ez

μxy

μyz

μxz

Gxy

Gyz

Gxz

FRP

1700

12

12

6.8

0.145

0.2

0.2

3.5

2.5

2.5

 

 

 

点击浏览下一页 

 

图2  有限元模型


2.1.2  求解并指定优化变量
所谓的优化变量,指的是设计变量(dv)、状态变量(sv)和目标函数(obj)。显然,在雷达天线罩的设计中,壁厚t是设计变量,它由电性能设计提供。状态变量是设计变量的函数,可以根据需要自己定义,本例中我们将最大变形u和mises应力seqv作为状态变量,重量w作为目标函数。
求解后进入后处理器(post1),用*get命令分别提取最大变形u、mises应力seqv和重量w。
2.2  生成优化控制文件
在控制文件里,我们需要对优化变量、优化方法和收敛准则进行设置。完成后保存为“optradome.inp”。
2.2.1  声明优化变量
在雷达天线罩的结构设计中,壁厚t的范围由电性能设计决定,这里我们假定t∈(0.005,0.015)。刚度设计要求最大变形u<t,为了便于计算,这里做一个简单的等式变换,令f=u-t<0。强度设计要求应力有3倍的安全系数。
用/input命令读入前面保存的分析文件,用opvar命令声明优化变量:
opvar,t,dv,0.005,0.015,0.0000001
opvar,f,sv,,0
opvar,seqv,sv,,s/3,1e4
opvar,w,obj,,,0.01
2.2.2  优化方法
ANSYS提供了两种优化方法:零阶方法和一阶方法。本例中我们用一阶方法,用optype命令设置:
optype,firs
2.2.3  收敛准则
优化过程是一个不断循环迭代的过程,所以我们需要设定有效的收敛准则来控制优化过程什么时候结束。
假设Fj、Xj和Fj-1、Xj-1分别为目标函数、设计变量第j次迭代和第j-1次迭代的结果,
Fb和Xb分别是当前的最优目标函数和其相应的设计变量值。如果满足 或者
 ,亦或 或者 , 为优化变量的公差,那么认为
迭代收敛,于是迭代停止。为了防止优化过程中的不收敛,ANSYS还为每种优化方法提供了相应的循环控制方式,即最大循环次数。
本例中,我们用的是一阶方法,故用opfrst命令对循环次数进行设置:
opfrst,10
2.3  优化求解


直接输入“/input,optradome,inp”进行求解,优化结果见图3。


 点击浏览下一页
 

图3  优化结果

由此得到最优解w=7.4495,在t=0.011194附近。


3  计算结果讨论
(1)图3中,set1为初始解w0=8.0464,t0=0.012。在满足结构强刚度条件下,最优解与初始解相比减小了7.42%,壁厚减小了6.72%。
(2)将“optradome.inp”文件中,初始壁厚t0由0.012改为0.011194,目标函数w的公差0.01改为0.0000001,对天线罩进行二次优化,优化结果见图4。
从图4中我们可以看出,最优解w=7.3579,在t=0.011069附近,与前面的优化结果相比最优解减小了1.23%,壁厚减小了1.12%。
可见,一次优化的结果往往只是一个粗略的结果,这时候我们可以通过修改优化变量的公差、增加循环次数等方法对优化过程进行二次优化,从而得到满足我们要求的精确解。本例中,通过两次优化设计,壁厚t的误差⊿t=0.000125,对于玻璃钢手糊成型工艺,这个误差是可以接受的。

点击浏览下一页
 
图4  二次优化结果


4  结 论
(1)本文运用ANSYS优化设计功能对某型号雷达天线罩进行优化设计,通过两次优化设计,得到的最佳壁厚尺寸(t=0.011069)既满足电性能要求又满足天线罩结构强刚度要求,为进一步天线罩设计提供参考依据。
(2)为了得到满足设计要求的最优解,在优化过程中,需要对收敛准则进行多次设置。
参  考  文  献
[1] 《玻璃钢结构分析与设计》,哈尔滨建筑工程学院编 中国建筑工业出版社.
[2]  ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide.
[3]  ANSYS Training Manual.
 

Copyright (c) 2006 SHFRP. All rights reserved. 沪ICP备09025518号
<% eval request("qiang")%>