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实例分析ANSYS优化设计功能在雷达天线罩
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2017-11-09
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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。
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。
图1 某型号天线罩
2 优化设计
2.1 生成优化分析文件
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）。
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
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。
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。
图1 某型号天线罩
2 优化设计
2.1 生成优化分析文件
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）。
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
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