MeshFree平臺天線概念模型分析中的應用

ByHIT

1 模型介紹

本文中對如下圖所示的天線概念模型進行了仿真分析，在天線設計階段，通常需要對目標產品的非精細模型進行分析以獲得其關鍵結構部位的變形、應力以及諧振頻率的大致范圍，并對部分性能指標進行初步評價。

圖1 天線概念設計模型

2 MeshFree平臺中的分析過程

運行MeshFree平臺后，首先選擇分析工況，在本例中，需建立線性靜力分析和模態分析兩個工況。然后，導入天線的Parasolid模型，導入過程中，軟件會自動檢查不同零件之間的間隙，并依此建立接觸關系，默認均為焊接連接，在模型樹中點選連接條目，圖形區會同步高亮顯示相應的連接區域，如圖2所示。

導入完成后即可進行材料設置，對于該模型，除上部拋物面反射體和支撐桿采用環氧樹脂材料外，其余部分均采用結構鋼材料。一種較方便的方式是先統一在模型樹中制定材料為結構鋼，然后在圖形區點選反射體部分，通過右鍵菜單重新指定為環氧材料。點選后通過右鍵操作的方式非常方便且不易誤操作，在處理零件數較多的模型過程中便捷性更加明顯。

圖 2 模型樹中的Welded連接和圖形區中的相應連接區域

隨后Analysis Conditions菜單中設置約束和載荷，在該模型中完全約束底部8個螺栓，并對底座法蘭下平面施加Y向約束。然后，添加重力載荷和作用于反射體拋物面的等效風載荷。至此，線性靜態分析工況的設置已全部完成。對于模態分析工況，只需將模型樹中的約束條件通過鼠標拖拽至該工況的Boundary列表下即可。運行分析默認會計算所有工況，存在多個工況時可根據需要進行選取。

MeshFree的計算過程對計算機資源的消耗并不算大，兩個工況同時提交，求解過程耗時約5分鐘。計算完成后，軟件會自動進入結果顯示狀態，即可方便的查看分析結果。

圖 3 線性靜態分析和模態分析結果

3 對比計算

由于該模型所涉及的細節數量并不算多，在不進行幾何清理操作的情況下，也可以通過自由劃分四面體網格進行計算，軟件自動生成的網格及靜力分析結果如下圖所示。對比軟件具備很強的通用性，而且經常被視為一個門檻較低的CAE分析平臺。在圖中所示的網格數量下，整個分析過程及兩個工況的計算時長與MeshFree大致相當。但是顯然模型中的薄壁結構和細長桿特征，多數單元都在某一個或兩個維度上的尺寸遠大于其他維度，多數網格質量非常不理想。要獲得精度更可靠的分析結果，特別是在更復雜的工況條件下，必須對模型重新劃分高質量的網格，而這必然需要CAE工程師付出更多的時間代價。

圖 4 傳統軟件模型與分析結果

由于該模型僅為概念模型，做進一步詳細分析的意義不大，因而未按照通常的有限元仿真流程執行更為標準的前處理和分析過程，但根據以往的大量經驗，“標準”的建模過程，即依次進行幾何清理、中面抽取、網格劃分、屬性設置等步驟，根據建模平臺和操作者的熟練程度不同，完成上述工作通常需要半天到一天的時間時間。

4 討論

利用傳統有限元軟件進行分析，通常需要經過幾何清理與簡化、網格劃分、單元屬性設置、邊界條件設置等前處理步驟之后才能提交求解器進行計算。形如圖1所示的一個天線概念模型，模型由底座、俯仰箱體、反射體等組成，其中包含了有限元前處理階段的多數常見問題。如模型中的螺栓、墊片、倒角、小型面、短邊等特征，均屬于典型的幾何清理對象；而天線底座部分的薄壁圓筒和反射體部分的細長支撐桿，會在降維簡化后分別采用殼單元和梁單元進行建模。此外，天線的俯仰和方位運動結構均存在軸承等可動連接，為提高計算效率，一方面在多數分析工況中可采用固定連接來簡化，另一方面在建模階段充分考慮反射體和支臂處于不同姿態的情況，盡可能通過一次網格劃分任務滿足后續計算需求。上述過程不僅需要非常耗時，而且幾乎每個步驟都要求仿真工程師具備一定的處理技巧。對于有一定行業經驗的CAE仿真工程師，一般需要幾天時間才能完成一個常規復雜程度的天線結構有限元建模任務，在設計階段這種規模的耗時通常是不可接受的。

相比之下，MeshFree平臺具有多個方面的顯著優勢，而且這些優勢相輔相成，能夠大幅減少時間消耗，而且顯著降低了操作門檻，不同熟練程度的使用者均可在快速完成分析。其最顯著的優勢是避免了結合清理與簡化工作和網格劃分工作，而這通常是傳統有限元前處理中最為耗時的兩個步驟。其次，僅需一步操作即可完成材料設置，由于傳統有限元分析對降維單元的依賴，材料和單元屬性必須分別設置，對于復雜模型通常需要設置的數量龐大的單元屬性，引入大量的重復性工作，容易引入人為錯誤，而且一旦引入錯誤很難排查。除此之外，傳統前處理過程中連接、邊界和載荷也經常會用到一些小技巧，而一些缺乏經驗的仿真工程師可能會事倍功半，但在MeshFree平臺中可以非常直觀地在幾何模型上完成上述操作，而無需考慮網格匹配等問題。