优化设计在天线座结构中的应用

隋文海，李聪聪

（中国电子科技集团公司 第五十四所，河北 石家庄 050081）

现代通信技术的发展要求车载天线越来越趋向于轻量化的同时又要有较高的刚度及运动指标，而两者是互相矛盾，因此需要设计师在结构设计的时候进行优化设计，满足各项精度及刚度指标的同时尽量减少主要部件的重量。

笔者选取了天线座结构中最主要的支撑元件－方位圆筒，使用Pro／E 先进设计工具对其进行建模，利用其自带模块选取主要参数进行模拟计算，在计算后评估其结果，修改相关尺寸或结构形式。最后得到最优参数的同时完成三维模型。

1 建立三维模型

图1 方位圆筒模型

图1是某卫星跟踪天线座的方位圆筒，其主要作用是承受天线及俯仰传动部分的重力、倾覆力矩及扭转力矩。该圆筒承受的垂直负荷为50000N，水平负荷为13618N，扭转力矩为11803N·m。本工程总体指标分配要求该圆筒的扭转刚度大于6.4×107N·m／rad，圆筒最小直径大于Φ800mm，圆筒高度为2500mm。

初始设计模型参数如下：

1）取圆筒直径为Φ1100mm，壁厚为20mm；

2）上、下法兰外径为Φ1160mm，内径为Φ400mm，厚度为20mm；

3）内部筋板宽度为80mm，厚度为20mm。

依据本单位以前类似工程及经验公式算法，使用Pro／E建立三维模型如图1，其中垂直负荷和水平负荷按均布载荷加到上法兰平面，扭转力矩折算为力加到上法兰平面中的8个区域，约束条件是将下法兰的下平面的6个自由度全部约束。进行应力和变形计算，计算结果见图2（其中左边图为应力图，右边为变形图）。

图2 圆筒应力和变型图

从得出的计算结果看，应力和变形都很小（最大应力为3.2Mpa，最大位移为0.0099mm），其中变形值折算成扭转刚度为6.56×108N·m／rad。虽然结果满足指标要求，但结构显得有些庞大、笨重（重量为1800kg），需要优化设计完成工作。

2 确定优化参数

优化设计的目的就是在设计过程中，在设定的条件下修改相关参数组合，寻求满足预定目标的最佳设计参数。在做优化设计前首先要进行灵敏度分析，也就是对设计参数进行筛选。

对设计参数进行筛选有以下两个方面的作用；

（1）在建立设计模型的过程中，定义了许多设计参数，如本结构中的圆筒直径、壁厚、内部筋板宽度等。当这些设计参数变化时，必然会对模型性能产生影响。但如果这些设计参数都用于优化设计，必然导致计算量庞大。因此需要明确哪些参数是重要参数，也就是说这些参数对整体优化过程的影响比较大甚至是颠覆性质。这些重要参数将是优化设计时着重考虑的，同时也要注意尽量减少重要参数的设置数量，依据经验适当选取不超过5个。

实际上不同的设计参数对设计模型的影响是不相同的。采用灵敏度分析就可以定量分析各参数对模型的影响程度。灵敏度分析可对模型参数的动态变化过程，即瞬时变化过程进行分析，研究特定参数对模型性能的影响情况，也就是说研究模型特定变化对参数变化的敏感程度。

（2）进一步研究这些重要设计参数，为这些设计参数确定用于优化设计的变化范围。在进行优化设计时，要选定设计参数并给定参数的变化范围，在参数的变化范围内寻求最佳设计。如果设计参数的变化范围确定得不合理，会造成优化设计的效率降低。也就是说需要合理的确定参数变化范围。

在本模型中选取以下的设计参数是进行灵敏度分析和优化设计时所要关心的：

1）上法兰的内孔直径和厚度；

2）圆筒的直径和壁厚；

3）内部筋板的宽度和厚度；

3 灵敏度分析

在确定上述设计参数后，即可进行灵敏度分析。在进行灵敏度分析时，首先应进行局部灵敏度分析，以确定参数对模型性能的影响程度，并对那些对模型性能影响大的主要参数进行全局灵敏度分析。在进行灵敏度分析时设置了2个测试点，Point0是应力测试点，Point1是位移测试点。对上述参数局部灵敏度分析的结果见表1。

表1 参数的变化对应力和位移的影响

上述分析中研究的是参数的变化对模型的应力和变形的影响。从分析结果可以看出对应力影响较大的是上法兰的厚度、筋板宽度及圆筒壁厚，对位移影响大的有圆筒直径和圆筒壁厚，但由于应力余量很大（计算应力为4Mpa，而许用应力为90Mpa），因此不考虑参数变化对应力的影响，只考虑参数变化对位移的影响。从表1可以看出，上法兰内径、上法兰厚度、内部筋板厚度、内部筋板宽度对位移的影响为万分之一到万分之四毫米，而圆筒直径和圆筒壁厚对位移的影响为万分之二十三到万分之七十毫米，也就是说圆筒直径和圆筒壁厚这两个参数变化对位移的影响比其他四个参数变化对位移的影响要大1个数量级。为此，选择圆筒的壁厚和直径这两个参数作进一步的研究，对模型作全局灵敏度分析。

4 优化设计

全局灵敏度分析的结果见表2。通过灵敏度分析，确定模型的位移对圆筒的壁厚和直径这两个参数最为敏感。前面已经提到，优化设计的目地是在满足要求的前提条件下获得重量轻、体积小的模型。因此，优化设计的目标是质量最小，优化设计的约束条件是：1）最大应力不大于90Mpa（材料许用应力）；2）测试点应力不大于40Mpa；3）测试点位移不大于0.095mm（按扭转刚度折算）。

表2 全局灵敏度分析结果

5 优化结果

优化分析计算的结果是：圆筒的直径约为Φ802mm，壁厚为10mm，重量约为881Kg。在这种状态下最大位移为0.025mm（见图3），折算扭转刚度为1.77×108N·m／rad，仍能满足要求。

图3 优化设计后圆筒的最大位移

通过优化分析，在满足设计要求的前提下，大大地缩小了体积和减小了重量（在本例中重量减小了约900kg），从而使设计更加合理，达到了预期的设计结果。

6 结束语

通过利用Pro／E先进三维设计及自带分析模块，对天线座重要部件－支撑圆筒进行了优化设计，初步探讨了优化设计的方法。依据优化后的结果指导结构设计，取得了良好的效果。证明了在前期设计中运用设计软件进行优化工作是降低成本，提高设计制造效率的有效方法。

［1］张继春，徐斌，林波.Pro／ENGINEER Wildfire结构分析［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］吴凤高.天线座结构设计［M］.北京：国防工业出版社，1980.

［3］彭文生.机械设计［M］.武汉：华中理工大学出版社，1996.