ANSYS软件在抛物面天线结构设计中的应用研究

肖飞

摘 要：ANSYS软件主要包括三个部分，即前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便地用它构造有限元模型。该软件能与多数CAD软件接口实现数据共享和交换，在抛面天线结构设计中具有广泛的应用，可以在多个机群中并行处理解决超大模型。

关键词：ANSYS软件；抛物面天线结构设计；优化设计；表面精度

中图分类号：TN820 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.098

自从美国将ANSYS软件开发出来以后，用户不但可用其进行结构、热、流体流动和电磁等方面的单独研究，还可以研究其相互影响。ANSYS软件的应用在很大程度上提高了天线设计水平。下面将简单论述ANSYS软件在天线设计中的应用。

1 软件组成以及优缺点

ANSYS软件包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块。后处理模块可将计算结果以彩色等值线、矢量、立体切片、透明及半透明显示。ANSYS是完全的WWS程序，应用起来更加方便，由一整套可扩展的、灵活集成的模块组成，因而能满足各行各业的工程需要。

2 抛物面天线结构设计的要求

抛物面天线结构设计的最终目的就是天线结构不会遭到外部环境的影响和破坏。抛物面天线结构一般由中心体、背架、反射面、副面撑杆和副面等组成。其中，中心体主要是由板梁焊接，形成一个旋转对称的单层或者双层桶状结构，上方的支撑结构辐射梁呈放射状分布在环状板梁上，之间由几圈环形分布的环梁和斜支撑杆连接起来。材料都要满足结构需要，规格、质量、重量都需要满足基本条件。使用时，应该尽量节省材料，以降低成本。

3 计算抛物面天线结构的强度和刚度

首先应该构建一个有限元模型，通过软件处理，将需要的数据按照程序输入电脑，从而完成天线结构有限元模型的建立。天线结构材料主要是钢，所以用MASS21单元模拟馈源、副面、面板等，但其重量满足不了结构对刚度的要求。模型中，用BEAM4/SHELL63/MASS21分别模拟天线结构上的元件。风力承受能力最大的部位集中在天线背架的弦节点上。软件可以在各种情况下判定结构的稳定性和刚度。

4 基于ANSYS的天线结构优化设计

4.1 ANSYS优化流程和方法

利用设计语言PADL完成复杂数据的录入，设计者可以控制设计的属性或分析属性，以便建模，进而优化和分析整个设计过程。其中，主要采用零阶方法和一阶方法来处理和分析函数关系。零阶方法适用于建立目标函数，能够有效解决大多数工程问题；一阶方法主要是使用因变量来改变数据，在每一次计算中确定方向，结果比较精确，适用于优化分析。在日常生活中，一阶方法的使用更为广泛。

4.2 天线中心体和背架的优化

以某工程中的天线设计为例，证明运用ANSYS软件可以优化其设计，特别是在天线中心体和背架的优化方面。运用结构优化分析时，不会有其他因变量干扰设计，只需要考虑天线的中心体和背架结构调整即可，有限元优化模型1/4部分如图1所示。

考虑到面板分块和螺旋杆的安装调整，必须固定好背架的上弦节点，而下线节点的各坐标面积可以作为截面积变量进行统一规划处理。在天线建设中，天线强度一般都不会存在很大问题，主要是刚度的变化很容易造成天线被封、折断等情况，所以其强度在检验时不是重点监测对象，只需要校核处理。天线的中心体和背架的刚度、重量的优化工作比较重要，需要在设计要求精度范围内，构建一个反射面重量最轻、刚度足够的结构。优化前后对比如表1所示。

4.3 重量的计算优化

ANSYS软件的优化效果远远比人工优化效果好。人工优化首先是分别建立不同结构的模型，然后分别计算，才能从中选择最优方案。还有一种方式是先确定结构形式，利用不同的材料或者其他方面的变量计算，然后对比并选择最佳方案。这种方式比较烦琐，因为变量很多，人们很难掌控其中所有的变量，而且不一定能达到很好的效果。但是利用ANSYS软件就可以很快找到最优方案。软件中有专门的优化模块，整个过程中，从假设因变量到建立模型，使用不同的参数进行自动分析计算得出结果后可自动生成优化分析文件。在优化结束以后，人们还可以在计算机中看到整个优化过程的变化，通过在程序处理中查看变量取得最佳值后的变形情况和应力改变数据，实现工作效率和计算准确率的提高。

以某天线为例，现在取得了各种规格杆件的截面面积数据，并取得反射面最大形变量、杆件最大应力状态变量，最终目的是减轻天线重量，现进行优化计算。通过计算可知，ANSYS软件确实能够减轻整个结构的重量，从而减轻天线座和传动系统的重量，所以ANSYS软件的运用能够有效弥补设计中的缺陷，而且实施起来十分便捷，是天线设计中值得广泛推广的方法。

4.4 预调天线并计算固有频率

天线始终保持一种工作状态。在同一种姿势状态下，天线反射面产生形变的原因就是重力这一变量。所以如果先计算出该状态下受重力的变形情况，在安装天线的时候就可以预防其断裂或者变形的情况，当使用天线的时候也就可以抵消或者减轻因重力产生的形变。

在建立有限元模型之后，根据软件中的固有程序可以取得指定的模态数据和提取方案，求得固有频率和振型结果。实践表明，ANSYS软件的运用能够提高实际效率。

5 计算天线反射面变形的均方根值

天线反射面变形的均方根值的计算公式需利用ANSYS软件处理，使得整个计算过程变得简单，提高设计师的设计效率。放射面变形的均方根值是衡量天线结构是否符合规范的重要依据，对比计算出的数值与规定数值，其结果比规定值小才算是一个成功的设计。而在过去，设计人员一般会采集反射面上各节点的形变值，工作量大，而且计算结果并不十分准确。现在运用ANSYS软件这种处理方式，提高了数据运算能力，然后通过熟悉软件的用法，能够很快地计算出天线形变的均方根值，为天线设计提供了精确的数据支持。

6 结束语

综上所述，ANSYS软件在抛物面天线结构中的应用能够有效提高抛物面天线结构的设计水平，将设计方案提升到一个新的高度。利用ANSYS软件进行设计改良，能够弥补以往人为方式设计的缺陷，使设计中各种数据桁架更加精确，结构分析能力也有了很大的提高。ANSYS软件提高了对天线结构的冲击、谐响应、响应谱和随机振动等各方面的分析效率，在实际设计中被广泛运用，大大缩短了设计时间，提高了设计质量。

参考文献

[1]王伟.大型星载薄膜天线结构—热—电磁耦合问题分析[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[2]白前.基于FEKO的圆抛物面天线电性能分析系统开发[D].西安：西安电子科技大学，2010.

〔编辑：王霞〕