ANSYS軟件在拋物面天線結構設計中的應用研究

肖飛

摘 要：ANSYS軟件主要包括三個部分，即前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模和網格劃分工具，用戶可以方便地用它構造有限元模型。該軟件能與多數CAD軟件接口實現數據共享和交換，在拋面天線結構設計中具有廣泛的應用，可以在多個機群中并行處理解決超大模型。

關鍵詞：ANSYS軟件；拋物面天線結構設計；優化設計；表面精度

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.098

自從美國將ANSYS軟件開發出來以后，用戶不但可用其進行結構、熱、流體流動和電磁等方面的單獨研究，還可以研究其相互影響。ANSYS軟件的應用在很大程度上提高了天線設計水平。下面將簡單論述ANSYS軟件在天線設計中的應用。

1 軟件組成以及優缺點

ANSYS軟件包括前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。后處理模塊可將計算結果以彩色等值線、矢量、立體切片、透明及半透明顯示。ANSYS是完全的WWS程序，應用起來更加方便，由一整套可擴展的、靈活集成的模塊組成，因而能滿足各行各業的工程需要。

2 拋物面天線結構設計的要求

拋物面天線結構設計的最終目的就是天線結構不會遭到外部環境的影響和破壞。拋物面天線結構一般由中心體、背架、反射面、副面撐桿和副面等組成。其中，中心體主要是由板梁焊接，形成一個旋轉對稱的單層或者雙層桶狀結構，上方的支撐結構輻射梁呈放射狀分布在環狀板梁上，之間由幾圈環形分布的環梁和斜支撐桿連接起來。材料都要滿足結構需要，規格、質量、重量都需要滿足基本條件。使用時，應該盡量節省材料，以降低成本。

3 計算拋物面天線結構的強度和剛度

首先應該構建一個有限元模型，通過軟件處理，將需要的數據按照程序輸入電腦，從而完成天線結構有限元模型的建立。天線結構材料主要是鋼，所以用MASS21單元模擬饋源、副面、面板等，但其重量滿足不了結構對剛度的要求。模型中，用BEAM4/SHELL63/MASS21分別模擬天線結構上的元件。風力承受能力最大的部位集中在天線背架的弦節點上。軟件可以在各種情況下判定結構的穩定性和剛度。

4 基于ANSYS的天線結構優化設計

4.1 ANSYS優化流程和方法

利用設計語言PADL完成復雜數據的錄入，設計者可以控制設計的屬性或分析屬性，以便建模，進而優化和分析整個設計過程。其中，主要采用零階方法和一階方法來處理和分析函數關系。零階方法適用于建立目標函數，能夠有效解決大多數工程問題；一階方法主要是使用因變量來改變數據，在每一次計算中確定方向，結果比較精確，適用于優化分析。在日常生活中，一階方法的使用更為廣泛。

4.2 天線中心體和背架的優化

以某工程中的天線設計為例，證明運用ANSYS軟件可以優化其設計，特別是在天線中心體和背架的優化方面。運用結構優化分析時，不會有其他因變量干擾設計，只需要考慮天線的中心體和背架結構調整即可，有限元優化模型1/4部分如圖1所示。

考慮到面板分塊和螺旋桿的安裝調整，必須固定好背架的上弦節點，而下線節點的各坐標面積可以作為截面積變量進行統一規劃處理。在天線建設中，天線強度一般都不會存在很大問題，主要是剛度的變化很容易造成天線被封、折斷等情況，所以其強度在檢驗時不是重點監測對象，只需要校核處理。天線的中心體和背架的剛度、重量的優化工作比較重要，需要在設計要求精度范圍內，構建一個反射面重量最輕、剛度足夠的結構。優化前后對比如表1所示。

4.3 重量的計算優化

ANSYS軟件的優化效果遠遠比人工優化效果好。人工優化首先是分別建立不同結構的模型，然后分別計算，才能從中選擇最優方案。還有一種方式是先確定結構形式，利用不同的材料或者其他方面的變量計算，然后對比并選擇最佳方案。這種方式比較煩瑣，因為變量很多，人們很難掌控其中所有的變量，而且不一定能達到很好的效果。但是利用ANSYS軟件就可以很快找到最優方案。軟件中有專門的優化模塊，整個過程中，從假設因變量到建立模型，使用不同的參數進行自動分析計算得出結果后可自動生成優化分析文件。在優化結束以后，人們還可以在計算機中看到整個優化過程的變化，通過在程序處理中查看變量取得最佳值后的變形情況和應力改變數據，實現工作效率和計算準確率的提高。

以某天線為例，現在取得了各種規格桿件的截面面積數據，并取得反射面最大形變量、桿件最大應力狀態變量，最終目的是減輕天線重量，現進行優化計算。通過計算可知，ANSYS軟件確實能夠減輕整個結構的重量，從而減輕天線座和傳動系統的重量，所以ANSYS軟件的運用能夠有效彌補設計中的缺陷，而且實施起來十分便捷，是天線設計中值得廣泛推廣的方法。

4.4 預調天線并計算固有頻率

天線始終保持一種工作狀態。在同一種姿勢狀態下，天線反射面產生形變的原因就是重力這一變量。所以如果先計算出該狀態下受重力的變形情況，在安裝天線的時候就可以預防其斷裂或者變形的情況，當使用天線的時候也就可以抵消或者減輕因重力產生的形變。

在建立有限元模型之后，根據軟件中的固有程序可以取得指定的模態數據和提取方案，求得固有頻率和振型結果。實踐表明，ANSYS軟件的運用能夠提高實際效率。

5 計算天線反射面變形的均方根值

天線反射面變形的均方根值的計算公式需利用ANSYS軟件處理，使得整個計算過程變得簡單，提高設計師的設計效率。放射面變形的均方根值是衡量天線結構是否符合規范的重要依據，對比計算出的數值與規定數值，其結果比規定值小才算是一個成功的設計。而在過去，設計人員一般會采集反射面上各節點的形變值，工作量大，而且計算結果并不十分準確。現在運用ANSYS軟件這種處理方式，提高了數據運算能力，然后通過熟悉軟件的用法，能夠很快地計算出天線形變的均方根值，為天線設計提供了精確的數據支持。

6 結束語

綜上所述，ANSYS軟件在拋物面天線結構中的應用能夠有效提高拋物面天線結構的設計水平，將設計方案提升到一個新的高度。利用ANSYS軟件進行設計改良，能夠彌補以往人為方式設計的缺陷，使設計中各種數據桁架更加精確，結構分析能力也有了很大的提高。ANSYS軟件提高了對天線結構的沖擊、諧響應、響應譜和隨機振動等各方面的分析效率，在實際設計中被廣泛運用，大大縮短了設計時間，提高了設計質量。

參考文獻

[1]王偉.大型星載薄膜天線結構—熱—電磁耦合問題分析[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[2]白前.基于FEKO的圓拋物面天線電性能分析系統開發[D].西安：西安電子科技大學，2010.

〔編輯：王霞〕