帶你快速了解ANSYS優(yōu)化設(shè)計功能在雷達(dá)天線罩的大作用

1 概 述

雷達(dá)天線罩簡稱天線罩或雷達(dá)罩。它的作用是在雷達(dá)天線的周圍形成一個封閉的空間，將轉(zhuǎn)動工作的雷達(dá)天線罩于其中，以保護(hù)雷達(dá)天線系統(tǒng)免受大氣環(huán)境的直接作 用。由于天線罩的遮擋，天線系統(tǒng)可不受風(fēng)、沙、雨、雪、冰雹的侵襲，這將降低天線驅(qū)動裝置的設(shè)計功率和減少天線轉(zhuǎn)動實際消耗的能源，并且避免了因氣候等對 天線系統(tǒng)的影響，因此也大大簡化和減輕了天線系統(tǒng)的日常維護(hù)修理工作，延長了雷達(dá)的使用壽命。但是架設(shè)天線罩會使天線的電性能有所降低，例如引起波束偏 離、波瓣畸變、傳輸損耗和反射功率損耗等，影響了雷達(dá)的精度并降低了雷達(dá)的有效作用距離。

一般來說，天線罩罩壁越厚，結(jié)構(gòu)性能會越好，但電性能會越差。在設(shè)計雷達(dá)罩罩壁厚度時要充分考慮結(jié)構(gòu)和電性這一對矛盾，根據(jù)天線及天線罩使用環(huán)境確定合適的壁厚，爭取設(shè)計出在結(jié)構(gòu)、電性能上表現(xiàn)優(yōu)異，同時輕巧美觀、經(jīng)濟實用又方便安裝的雷達(dá)罩。

ANSYS是集前后置處理、求解器為一體的具有強大解算功能的有限元軟件，它集成了很多先進(jìn)技術(shù)來優(yōu)化計算過程，并將其模塊化，比如接觸關(guān)系的模擬、子模型、優(yōu)化設(shè)計等。

本文將結(jié)合某型號天線罩（見圖1），采用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計模塊，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，求解同時滿足結(jié)構(gòu)性能要求和電性能要求的最佳厚度尺寸。

圖1 某型號天線罩

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 生成優(yōu)化分析文件

分析文件是ANSYS優(yōu)化設(shè)計過程中的關(guān)鍵部分，ANSYS程序運用分析文件構(gòu)造循環(huán)文件，進(jìn)行循環(huán)分析。分析文件中，模型必須是參數(shù)化建立的，結(jié)果也必須用參數(shù)來提取。完成后，保存為“radome.inp”。

2.1.1 參數(shù)化建模

天線罩半徑r，高度h，初始壁厚t0=0.012，載荷為均布壓力p， 材料性能見表1，底部約束為固支。進(jìn)入前處理器（prep7），對天線罩進(jìn)行建模并加載（見圖2）。

圖2 有限元模型

2.1.2 求解并指定優(yōu)化變量

所謂的優(yōu)化變量，指的是設(shè)計變量（dv）、狀態(tài)變量（sv）和目標(biāo)函數(shù)（obj）。顯然，在雷達(dá)天線罩的設(shè)計中，壁厚t是設(shè)計變量，它由電性能設(shè)計提供。 狀態(tài)變量是設(shè)計變量的函數(shù)，可以根據(jù)需要自己定義，本例中我們將最大變形u和mises應(yīng)力seqv作為狀態(tài)變量，重量w作為目標(biāo)函數(shù)。

求解后進(jìn)入后處理器（post1），用*get命令分別提取最大變形u、mises應(yīng)力seqv和重量w。

2.2 生成優(yōu)化控制文件

在控制文件里，我們需要對優(yōu)化變量、優(yōu)化方法和收斂準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)置。完成后保存為“optradome.inp”。

2.2.1 聲明優(yōu)化變量

在雷達(dá)天線罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，壁厚t的范圍由電性能設(shè)計決定，這里我們假定t∈（0.005，0.015）。剛度設(shè)計要求最大變形u＜t，為了便于計算，這里做一個簡單的等式變換，令f=u-t＜0。強度設(shè)計要求應(yīng)力有3倍的安全系數(shù)。

用/input命令讀入前面保存的分析文件，用opvar命令聲明優(yōu)化變量：

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 優(yōu)化方法

ANSYS提供了兩種優(yōu)化方法：零階方法和一階方法。本例中我們用一階方法，用optype命令設(shè)置：

optype，firs

2.2.3 收斂準(zhǔn)則

優(yōu)化過程是一個不斷循環(huán)迭代的過程，所以我們需要設(shè)定有效的收斂準(zhǔn)則來控制優(yōu)化過程什么時候結(jié)束。

假設(shè)Fj、Xj和Fj-1、Xj-1分別為目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量第j次迭代和第j-1次迭代的結(jié)果，

Fb和Xb分別是當(dāng)前的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)和其相應(yīng)的設(shè)計變量值。如果滿足 或者，亦或或者，為優(yōu)化變量的公差，那么認(rèn)為迭代收斂，于是迭代停止。為了防止優(yōu)化過程中的不收斂，ANSYS還為每種優(yōu)化方法提供了相應(yīng)的循環(huán)控制方 式，即最大循環(huán)次數(shù)。本例中，我們用的是一階方法，故用opfrst命令對循環(huán)次數(shù)進(jìn)行設(shè)置：opfrst，10。

2.3 優(yōu)化求解

直接輸入“/input，optradome，inp”進(jìn)行求解，優(yōu)化結(jié)果見圖3。

圖3 優(yōu)化結(jié)果

由此得到最優(yōu)解w=7.4495，在t=0.011194附近。

3 計算結(jié)果討論

（1）圖3中，set1為初始解w0=8.0464，t0=0.012。在滿足結(jié)構(gòu)強剛度條件下，最優(yōu)解與初始解相比減小了7.42%，壁厚減小了6.72%。

（2）將“optradome.inp”文件中，初始壁厚t0由0.012改為0.011194，目標(biāo)函數(shù)w的公差0.01改為0.0000001，對天線罩進(jìn)行二次優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見圖4。

從圖4中我們可以看出，最優(yōu)解w=7.3579，在t=0.011069附近，與前面的優(yōu)化結(jié)果相比最優(yōu)解減小了1.23%，壁厚減小了1.12%。

可見，一次優(yōu)化的結(jié)果往往只是一個粗略的結(jié)果，這時候我們可以通過修改優(yōu)化變量的公差、增加循環(huán)次數(shù)等方法對優(yōu)化過程進(jìn)行二次優(yōu)化，從而得到滿足我們要求 的精確解。本例中，通過兩次優(yōu)化設(shè)計，壁厚t的誤差⊿t=0.000125，對于玻璃鋼手糊成型工藝，這個誤差是可以接受的。

4 結(jié) 論

（1）本文運用ANSYS優(yōu)化設(shè)計功能對某型號雷達(dá)天線罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過兩次優(yōu)化設(shè)計，得到的最佳壁厚尺寸（t=0.011069）既滿足電性能要求又滿足天線罩結(jié)構(gòu)強剛度要求，為進(jìn)一步天線罩設(shè)計提供參考依據(jù)。

（2）為了得到滿足設(shè)計要求的最優(yōu)解，在優(yōu)化過程中，需要對收斂準(zhǔn)則進(jìn)行多次設(shè)置。