关键词：
天线结构优化设计模型（精选六篇）
天线结构优化设计模型 篇1
微带贴片天线是一种体积小、效率高、制作简单的天线。随着科技的日益更新,单频带的天线已经不具有可适用性了,所以对于多频带天线的设计及需求就显得很迫切。以前的多频带天线是通过在辐射贴片上开出数个缝隙来实现多频带,但是这样容易导致相邻频带的间隔很大,文献[1,2]。所以为了实现更高更多的频带,在微带天线的辐射贴片上引入了分形结构。“分形”一词来自拉丁文“fractus”,意思是分裂。在1975年Benoit Mandelbrot第一次应用“分形”这个词。分形是一种组成部分以某种方式与整体相似的形体。它具有自相似性和伸缩对称性,文献[5]。利用上述特性可以实现一种应用于多系统的天线。另外实现天线多频带的方法还有增加天线的辐射单元、增加调谐器件例如变容二极管,文献[3]。Sierpinski分形的原理是取一个方形贴片,并分成九个同样大小的方形,中间一个方形被挖空。剩下的八个可以继续被分成九个更小的方形,中间一个继续被挖空。依此一直下去,这种过程被称为迭代。如图1所示:
因此我们可以利用迭代来增加天线的谐振频率。因为一个方形贴片被分成更小的单元并从中间挖空时,剩余的贴片会各自相互独立,辐射各自的谐振频率。由于被挖空的部分没有辐射贴片,所以馈带线的馈电位置对天线的性能就有重要的影响。
1 天线的设计
1.1 零次迭代
一个简单的微带贴片天线可以被看做是sierpinski分形的迭代。对于零次迭代,在文献[1]中决定微带贴片天线的长度与宽度的计算公式如下:
W是宽度,L是长度,ΔL是考虑边界效应后长度的修正值,εeff是有效介电常数,介质板采用最常用的FR4。由公式(1)到(4),得到当频率f=1.8GHz时,εr=4.4,h=4mm,L=38.4mm,W=50mm。传输线的宽度W1=6mm,馈电位置在中心,如图1所示:
F是馈电点到贴片边缘的距离。图1所示天线的回波损耗如下图:
从图2中可以看出,天线的回波损耗在-10dB以上,大多数功率被反射。因为在零次迭代中,辐射贴片被整个微带贴片覆盖,没有缝隙来产生辐射,因此改变馈电点的位置不会对天线的性能带来明显的改善。
2.2 一次迭代
文献[4]中详细介绍了更高次的分形迭代计算公式:
Nn是被辐射贴片覆盖的方形贴片的个数,Ln是长度L的比例系数,An是贴片分形区域的面积比例。随着迭代次数的增加,更多的辐射贴片会被去除,因此辐射贴片的物理尺寸会逐渐减小,谐振频率也会从1.8GHz搬移到更高的谐波频率处。这种设计能实现较高的多频带特性,同时保持原来贴片天线的尺寸不变。图4所示一次迭代随着馈线馈点位置的不同,天线表现出的不同的特性。
随着馈电点位置的不同,微带天线一次迭代的仿真结果如图5所示:
从上图中可以看出,在不同的馈点位置处,会有不同数目的谐波数。但是当馈点位置在-9mm处时,得到的谐波数目最多。当馈点位置在-3mm时,能得到3个谐波频带。馈点位置在-9mm时,能得到5个谐波频带。下面表格是馈点位置的不同出现的谐波频带的数目。
2.3 二次迭代
对于二次迭代,由一次迭代剩余的八个贴片继续细分成九个更小的贴片,去除中间的一个贴片。由式(5)～(7)可以得到,二次迭代每个更小贴片的尺寸及大小。馈电点的位置仍然选取-25mm,-17mm,-9mm,-3mm作为取样点。下图是微带天线二次迭代的结构图:
二次迭代的回波损耗S11仿真结果如图7所示:
从仿真结果可以看到,如同一次迭代一样,谐波数目最多的位置还是在-9mm的馈电点处,而且谐波数目较一次迭代相比,谐波数目有所增加。同时馈电点在微带贴片的中间(-3mm)时,谐波数目最少。以下是仿真结果的数据统计表格:
3 结语
本文在一般分形天线的基础上,详细研究了一种基于sierpinski结构的分形天线。通过改变分形天线结构中尺寸的比例因子,天线的频带特性也会发生相应的变化,同时输入阻抗的不匹配可以通过改变微带馈线的馈电点的位置来得到改善和优化,使得这种分形结构的微带天线在实现多频带特性的同时,回波损耗也不会恶化。
摘要：微带贴片天线是一种低材料、体积小、易于制作的天线。为了实现天线的多频带特性,在微带贴片天线中引入了sierpinski模型结构。分形结构是在一个递归的过程中产生的,它们可以在有限的空间产生很长或很宽的表面积,因此,分形结构可以使宽带天线在小型化的同时又能保持和大天线相似的辐射模式和输入阻抗特性。这种sierpinski分形结构的微带天线可以用在WLAN,BLUETOOTH和WIMAX中。本文详细研究了sierpinski分形结构的迭代设计以及馈带线的馈点位置,并分析了对于此类天线的最佳馈电点
关键词：分形,天线,馈点,迭代
参考文献
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[2]陈抗生.电磁场与电磁波[M].北京:高等教育出版社,2007.
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[5]D.H.Werner and S.Ganguly.An overview of fractal antenna engineering research[J]IEEE Antennas Propag.Mag,2003,45(1):38-57.
机载天线结构设计研究论文 篇2
0.45m卫星通信(简称卫通)天线项目系某型多用途载机首次安装如此大尺寸、高带宽的卫通天线,国内尚无类似产品装备可参考,并且其使用环境条件复杂,这些都对天线结构设计提出了重大挑战。天线结构设计过程重点考虑了各结构件在载机实际工作环境下的刚度、强度问题。其中许多关键部位的结构件,起着支撑天线、固定通信馈线及执行伺服驱动的作用,同时承担和隔离载机产生的振动和冲击,并实现天线的转动、定位和定向。天线结构件的刚度、强度、重量、转动惯量,直接影响到天线系统的精度和可靠性[1]。在天线结构整体设计阶段,采用了ProE三维设计软件进行结构设计,采用有限元法利用大型结构设计仿真软件MSC.Patran/Nas-tran对天线结构进行结构力学分析和仿真,加强和优化主结构件关键部位。仿真和实验结果以及实际飞行使用效果显示,天线的结构特性均能满足技术指标和使用要求。
2系统和整机要求
根据系统要求,天线系统在飞行过程中要实现准确地手动/自动跟踪卫星功能,依赖于天线座结构应具有足够的刚度、强度和传动精度,以保证整个伺服系统的结构谐振频率,提高伺服带宽,增加系统的稳定性、动态响应和传动精度。此外,根据载机实际工作环境要求,在最大限度减轻载机负担(即减轻天线重量)的前提下,应采取合理布局的设计思路以优化结构设计,使天线在使用过程中能够排除和降低载机工作环境对其产生的不利影响,保证其可靠性,达到指标要求[2]。
3总体结构设计与优化
根据载机实际情况,在保证性能的前提条件下,要求天线的尺寸和重量到达最小,对此进行了大量的优化工作,使得0.45m卫通天线外形安装尺寸(直径×高度)自最初方案提出的740mm×600mm(天线罩),重量约为50kg,优化为700mm×500mm(天线罩),重量约为40kg,如图1所示。其总体优化过程如下:天线的反射体为降低安装高度,放弃了传统的抛物面天线,采用了最新研发成功的低剖面波导阵列天线;座架则仍采用典型的方位-俯仰型结构以保证跟踪的可靠性;为了减轻重量,除关键传动部件采用40Cr合金钢外,其余结构件全部选用高强度轻质铝合金2A12-T4;由于铝合金螺纹连接处强度不够,且重复拆装性不好,参考已有航空设备安装措施,装入钢丝螺套以提高螺牙强度;天线与机体安装平台间装有隔振装置以降低机体振动带给天线的影响;天线罩为降低重量,在保证抗风强度的前提下,弃用传统的环氧玻璃布结构,采用最新的纸蜂窝夹层结构,大大降低了安装重量;所有电缆和波导则为保证气密性而经密封处理后通过安装孔进入机舱内部。按照以往的工程经验,此类机载通信/雷达天线在类似的环境和使用要求下,一般应超过此重量与尺寸。因此,与以往工程设计的不同之处之一,即在设计之初就对各结构件进行了反复的比对和二次优化。
3.1天线结构介绍
波导阵列天线的结构尺寸为597mm×300mm×17.5mm,四周切角以减小回转半径;经过减重处理后的重量约8kg,电气性能与0.45m口径抛物面天线等效,而高度和厚度则大大低于传统的抛物面天线。采用这种天线的优势包括剖面低、辐射效率高、口径分布控制精确、低副瓣、波束指向稳定、功率容量大、刚度和强度好、结构紧凑、厚度薄、相对重量轻、可靠性高等优异的电气和结构性能等。
3.2天线座架结构设计与优化
天线座架采用典型的方位-俯仰形式,结构紧凑,受力情况合理,调整方便;设计选定承载能力强、刚度好、重量轻、结构紧凑的转台式结构;因而从整体几何尺寸的优化满足了最小安装空间的要求。俯仰机构的转动支撑采用了圆锥滚子轴承,可同时承受径向力和轴向力,以最轻质最紧凑的结构满足天线支撑的需要。关键件俯仰支臂用厚铝板加工而成,其主要受力部位为轴承孔及与方位转盘的连接面,因此必须在保持结构强度要求的前提下,对支臂的非承力部分进行减重优化设计,具体做法如下:整体按照最小几何尺寸布置;保留轴承孔周边最小结构尺寸;与方位转盘、驱动、轴角装置的连接面相应保留足够厚度;保留一侧面的相对完整,另一面完全成空腔结构;增加与轴承孔的两道同心加强环筋,并根据此零件结构力学特性将其布置在最优强度位置。此外,根据以往工程设计经验,俯仰支臂与方位机构的的连接根部和俯仰传动链末级两处通常是整个座架结构的最薄弱环节,因此在这两点处预先进行了局部二次加强,加厚并尽可能圆滑支臂的连接根部,其优化过程如图2所示。
方位机构的核心传动部件转盘轴承,优选了应用广泛的带外齿的四点接触球轴承,使天线座架在保持紧凑的结构和较轻的重量的前提下,能同时承受较大的轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩和双向推力载荷,还优化了方位总传动比。另一重要部件滑环,采用具有超长寿命、免维护、无需润滑、外形紧凑的空心轴多路滑环。方位运动的另一核心部件方位转盘同样用厚板材加工而成,负担着天线和俯仰支撑的重量,并要具备足够的刚度,其优化思路过程与俯仰支臂相似,也包括轴承结构保留、连接面强化、空腔化减重及同心加强环筋的布置,其优化过程如图3所示。方位驱动和俯仰驱动均选用轻质、紧凑、高输出扭矩的直流减速电机,末级增加间隙调整装置,可调节传动回程间隙。将经过优化设计的结构模型再由力学仿真进行分析验算。
4天线结构的力学分析
由于天线的质量分布很复杂,很难用解析的方法得到其解析解,因此采用专业有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN进行力学分析和仿真。
4.1有限元模型的建立
天线整体结构的有限元模型包括反射体、座架结构、俯仰齿轮及其连接支撑结构、方位转动机构等。为降低软件的计算量和复杂度,先对天线整体结构进行简化,去掉冗余节点,再采用MSC.PATRAN软件单独对其组成零件划分网格,最后将划分好的网格进行组装。采用了映射网格划分方法,面上网格全部为四边形,体则全部为六面体,这种划分能够更准确地描述天线座架结构的应力和位移情况[3]。模型的约束条件如下:天线座架的2个俯仰轴系各有一点的3个转角自由度释放,方位轴系释放绕垂直轴转角自由度及垂直方向位移自由度,约束其余4个自由度。模型的材料属性如下:天线座架的各轴、轴承、齿轮定义属性为钢40Cr,而其他零件定义属性为硬铝2A12-T4。建立的天线结构有限元模型如图4所示。
4.2模态分析
天线座架是一个复杂的弹性系统,如果其结构固有频率与伺服带宽靠近甚至落入伺服带宽之内,各种伺服噪声就会激发系统发生谐振,造成伺服系统不稳定,无法工作,甚至使结构破坏。为保证伺服系统的稳定性,并有足够的稳定裕度,通常要求结构固有频率高于伺服带宽3~5倍[4]。通过计算得到天线结构模型的固有频率,在第1、2、3、4阶模态下,其值分别为28.7Hz、29.2Hz、51.4Hz、60.8Hz,而本天线伺服系统的带宽为2.7Hz左右,可见固有频率远大于伺服系统的带宽,因此,天线的伺服系统拥有足够的稳定裕度。
4.3冲击振动分析
依据实际环境使用要求,冲击环境条件为:采用半正弦脉冲,峰值加速度15g,脉冲宽度11ms,3个互相垂直轴,6个轴向施加。对模型施加冲击载荷并进行有限元分析,得到了如下分析结果:最大应力出现在z轴(图5),可以看出最大应力处位于俯仰支臂的连接根部位置,最大应力值为109MPa,小于材料的屈服极限σ0.2=275MPa。所以,在给定的冲击载荷条件下,结构满足强度要求。振动条件见图6振动谱,其中额外迭加的4处定频振动峰值依次为1.6g、2.5g、1.7g、1.5g。对模型施加振动载荷并进行有限元分析,得到了如下分析结果:最大应力出现在y轴(图7),同样位于俯仰支臂的连接根部位置,其高斯分布规律的应力3σ值为178MPa,小于材料的屈服极限值σ0.2=275MPa。所以,在给定的随机振动条件下,结构满足强度要求。
4.4实验结果验证
按照要求对完成的设备进行冲击振动实验,从结果来看:主结构件经优化过的关键部位未出现以往相似工程中出现的刚度、强度不足的问题;改用轻质材料或采取减重措施的零部件受力情况与分析结果基本一致,均能满足设计要求;天线整体频响特性较好,在功能实验全程中运行正常,能够满足跟踪要求。
5结论
在0.45m机载天线的设计中,对载机的工作模式和环境特点进行了较为深入的研究,找出了结构设计过程中需要增强或优化的多个关键点,验证了天线结构的力学性能对伺服系统的重要性。在天线结构的设计与优化过程中,采用专业软件较好地解决了天线结构尺寸重量强度的优化设计、载机环境适应性等主要问题。天线系统精度较高,结构性能良好,从实际飞行过程中的具体通信效果来看,电气、伺服、结构等各项性能指标均完全满足系统要求。
天线结构优化设计模型 篇3
建筑力学是广西建设职业技术学院土木工程专业的一门重要基础课程,该课程概念抽象,知识体系复杂,需要较强的逻辑思维能力、空间想象能力及实践分析能力才能较好地掌握。传统的力学授课结合工程照片、视频动画、三维空间模型展示等多媒体手段教学,但仍属于重理论轻实践的教学方式,再加上高职生学习基础薄弱,自主学习意识不强,学生很难自行建立完整的建筑力学知识体系,无法灵活运用书本理论知识分析和解决生活中的实际问题,导致学生学习建筑力学的兴趣大减,产生畏难情绪,创新意识淡薄且创新能力不高,不能适应现代土木工程人才培养的需求。[1]因此,针对高职高专学生特点的建筑力学教学改革势在必行,如何激发学生学习兴趣,帮助他们找到学习力学的动力及构建完整的知识体系应是重探索的地方。
结构模型设计竞赛是一项主要运用白卡纸和白乳胶的材料特性,设计一定的符合比赛要求的结构模型,从模型的设计方案、制作工艺及承载能力3个方面进行评分比赛。该项比赛极富创造性和挑战性,旨在通过学生对建筑力学的综合运用、团队的沟通配合,提高学生的创新、动手能力及加强团队合作精神。
该项竞赛可以很好地将建筑力学相关理论与实际工程紧密结合,是教育部重点支持的九大竞赛之一,2005年6月浙江大学举办了第一届全国大学生结构设计竞赛之后,在全国土木专业院校中普及。[2]
传统的建筑力学教学方式已无法满足当前学生的学习要求、心理需求,也无法适应当今教育界的教改趋势,本文以结构模型设计为载体,创设平台,让学生通过动手实践来深化对建筑力学抽象知识的感性认识,激发学生的学习兴趣,提升其实践能力,以此尝试对建筑力学教学方法的优化。
2 结合结构模型设计的建筑力学课程改革
2.1 引入力学求解器软件教学环节,适应现代人才培养需求
根据麦可思数据有限公司(MyCOS)对广西建设职业技术学院应届毕业生毕业半年后的跟踪调研[3],毕业生对核心课程的满意度仅为57%,反应突出的问题是实践环节不够。已毕业工作的高职生普遍反映不满意建筑力学课的教学内容,课堂内容过分侧重于理论教学,纸上谈兵与工程实践严重脱节,特别是在复杂结构设计时,需要涉及超静定结构计算的相关理论,对于高职生来说掌握这方面知识过于困难。因此,将结构模型设计的理论分析计算融入建筑力学的实践环节,计算杆件在轴向拉伸压缩、弯曲、剪切、扭转等变形的承载能力,可以让学生对课本的知识融会贯通。对于复杂结构模型的数值计算一般都离不开有限元分析软件,传统的大型有限元分析软件如Ansys、Abaqus根本无法融入高职专业的教学。清华大学土木系研制的结构力学求解器是一个基于有限元理论的计算机辅助分析计算软件,该软件界面简洁直观,建模与计算操作简单,内容体系完整,包括二维和三维结构的几何组成、静定、超静定、位移、内力、极限荷载等建筑力学课程涉及的一系列问题,可供学生分析求解课本问题及设计计算结构模型时使用。因此,在建筑力学课程优化中,考虑理顺超静定结构计算的重点,适当缩减相关内容,将矩阵位移法向有限元基本原理进深,结合结构力学求解器求解课本的超静定问题;同时,通过结构力学求解器数值计算与结构模型加载实验相互论证结构模型的承载能力,激发学生学习和动手的兴趣,在调整优化结构模型的过程中唤醒学生的创新意识,将课本理论与工程实践紧密结合,适应当前社会对人才的需求。
2.2 通过结构模型设计实践打通章节脉络,构建完整知识体系
荷重比是衡量结构模型承载能力的重要参数,也就是制作的结构模型能用最少的材料承载重量最大,这与建筑力学课程的学习任务相吻合。为了达到这样的最佳效果,要通过理论分析(包括研究作用在结构或构件上的力的平衡问题、结构或构件的承载能力、材料的力学性能、结构组成规律及其合理形式等方面)确定结构模型的形式,掌握构件的受力性能、确定构件受力的计算方法,并掌握材料性质和截面尺寸对受力的影响,这需要学生对建筑力学的各章节内容(包括静力学、材料力学、结构力学三大部分)融会贯通,才能科学合理地进行结构模型设计。建筑力学课程的实践环节是制作一个简支梁体系,可用的材料有白卡纸和白乳胶。指导学生先了解白卡纸与白乳胶结合后的主要力学性质,比如弹性模量,抗拉抗压强度等。对可能的荷载情况进行分析,根据已有的简支梁体系形式,构思几种结构选型,包括构件截面几何形状和结构形式的选择,计算加载要求的荷重情况下的各种结构选型是否满足强度、刚度和稳定性要求,并与模型加载实验数据比对,在满足比赛评分标准的情况下,分析比较获得最优的结构选型。[4]经过结构力学模型的制作流程,学生在理论与实践的过程中打通各章节脉络,构建完整知识体系,达到建筑力学课程的学习要求。
2.3 以赛促学,解除思维禁锢
传统的力学课程缺乏创新的教学方式,学生往往习惯于跟随老师学习,思维方式单一、直线性,缺乏灵活性。[5]美国心理学家希尔伯曼研究发现,当学生学习新知识时,仅是老师教授,学生只能学到5%;视听并用教学,学生能学到20%;通过实践,学生可掌握70%,说明学生对新知识的掌握和获得能力的最有效方法是自己体验和动手实践。[6]鼓励学生参加结构模型竞赛,让学生自己体验和动手实践力学知识,可提高他们学习力学课程的积极性,解除思维禁锢。目前,广西区结构力学模型设计大赛已举办5届,广西建设职业技术学院学生从第三届开始每年都参加该项赛事。同时,广西建设职业技术学院由力学教师团队组织的校级结构力学模型设计大赛已举办五届,参数人数逐年上升,结构模型的比赛设计水平也在稳步提升。竞赛提升了学生对建筑力学课程的自主学习能力,在结构选型比对及选型优化的过程中摆脱学习建筑力学课程的随机性和依赖性,激发他们的动手能力和创新能力,深化对建筑力学抽象知识的感性认识,同时还可以提高思维方式的灵活性和全面性,把握力学学科最新的发展动态,真正满足现代社会对学生培养的要求。
3 结语
广西建设职业技术学院将结构模型设计的思想引入建筑力学的教学当中,优化该课程的教学方案,增加结构模型设计环节,缩短理论课的授课时间,让老师在“做”中教,学生在“做”中学,激发学生学习建筑力学的兴趣,使教、学、做一体化进行。该课改模式“以点带面”,先在个别班级实施新的教学方案再在全年级中铺开,全面推进建筑力学课程改革,现已取得了较好的教学效果。
这门课程在一般院校的通过率为75%左右,近几年广西建设职业技术学院期考的通过率提高到85%左右。[7]学生普遍反映,结合结构模型设计的建筑力学课程使掌握力学知识更加有趣直观,学习更有动力,知识记忆更加深刻,同时也为后续相关课程学习打下良好基础。广西建设职业技术学院参加广西区级结构力学模型设计竞赛成绩连续3年显著提升,第三届比赛仅获得1个第三名,第四届比赛获得1个第二名、2个第三名,第五届比赛获得1个特等奖、2个一等奖的佳绩。该项竞赛成绩的逐年提高,提升了建筑力学课程对学生的影响力,间接激发了学生学习建筑力学课程的动力,起到良性循环的效果。结构模型设计实践在建筑力学教学方法优化中起到重要作用,对高职高专建筑力学课程的改革具有指导意义。
摘要：文章基于广西建设职业技术学院建筑力学课程教学改革,分析高职高专学生学习建筑力学课程的现状,将结构模型设计作为实训环节引入该课程,提出优化建筑力学课程教学的措施和方法,并通过教学实例进行分析,对高职高专建筑力学课程的改革具有指导意义。
关键词：结构模型设计,建筑力学教学方法优化,高职高专
参考文献
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天线结构优化设计模型 篇4
关键词：响应面近似模型,结构,疲劳寿命,优化设计
0 引言
疲劳破坏是工程机械结构重要的破坏形式。一般情况下,工程结构的抗疲劳设计总是希望所设计的结构既要重量轻,又要寿命足够长。抗疲劳优化方法的基本思想是在抗疲劳结构设计方法的指导下选取结构设计变量,用试验设计方法在设计变量空间里选取样本点,对各样本点所对应的结构建立有限元模型并进行结构分析和疲劳寿命估算;然后得到对应各样本点的结构重量和疲劳寿命响应值,最后利用样本点和响应值建立疲劳寿命和重量的响应面模型并对模型进行优化分析获得最优解,这样可有效避免寻优过程中大量耗时的有限元分析。
本文结合我们基于有限元软件ANSYS二次开发的结构疲劳寿命可视化模块[1]给出了一种基于疲劳寿命的结构优化设计方法。最后,对某飞机起落架扭力臂进行了结构—寿命优化,以验证本文方法的有效性。
1 试验设计方法
试验设计方法是用来研究设计参数对模型设计状况影响的一种取样策略,它决定了构造近似模型所需样本点的个数和这些点的空间分布情况。目前广泛应用于计算机仿真试验设计的主要方法是拉丁超立方体抽样和均匀设计[2],这两种试验设计能应用于多种多样的模型,且对模型的变化具有稳健性。本文主要采用拉丁超立方抽样。
拉丁超立方抽样(简称LHS)由Mckay等人在1979年提出,是对分层抽样的改进,它的基本思想是:将每一个随机参数Xi的分布函数领域在概率上N等分为ΔXundefined(k=1,2,…,N),即每一等分都具有相同的概率1/N,在每一次确定性计算步骤中严格保证每一等分内抽样一次。如果随机参数有n个,对于一般的问题只需要进行N次确定性计算。如果抽样次数N大于随机参数的个数n,则抽样值Xki在划分的领域区间ΔXki内可不必进行随机选取,而是取区间ΔXundefined的中值[3]。
当统计变量的个数n比较大时,LHS能够达到同等水准的抽样精度,相当大地减少了抽样数目N。如果结构(系统)的输出响应是关于其参数(X1,X2,…,Xn)的单调函数时,LHS优越于直接随机抽样和分层抽样,且其计算效率较点估计法(随机投点法)的效率要高的多,在计算中取N为2n～3n,即可满足精度要求。
2 响应面近似模型
近似模型技术是在初始数据集合的基础上构造逼近目标函数和约束条件的方法,同时也为快速优化和敏感性分析提供了一种高效的解决方法。响应面法(RSM)是以试验设计为基础的用于试验模型建立和模型分析的一套统计方法。RSM主要包括:选择响应面逼近函数模型(常采用多项式模型);确定一组用于评估响应函数的试验数据点;基于试验结果构造响应逼近函数,并对响应逼近函数的预估性能进行评估;最后将RSM应用于优化设计。利用响应面技术可以带来很多好处[4]:
(1)响应面形式简单,计算容易。
(2)响应面可以平滑复杂学科分析时带来的数值噪声,数值噪声有可能会大大地改变目标变量相对于设计变量或其他中间变量的导数值,导致优化过程陷入“人工”局部优化。
(3)采用RSM可以将学科分析模块(程序、软件)与优化过程分离开来,使优化不用处理诸如大型网络生成、后处理等复杂的又比较耗时的任务;同时,也使不同学科的专家相对独立地并行工作成为可能。
响应面近似模型通常使用低阶多项式,形式如下:
undefined。 (1)
其中:M为设计变量个数,X={x1,x2,…,xM}为设计变量,利用上面试验设计产生的样本点和响应值用最小二乘法可求得多项式系数a0,bi,cij,di,ei,…,从而构造出响应面近似模型。
3 主要目标法
对于多目标最优化问题,常采用转换方法将多目标问题转化成单目标问题求解[5]。例如,可以将其中最重要的一个目标作为设计目标,其余的作为设计约束。这种方法称为主要目标法。主要目标法简单易行,它保证在次要目标允许取值的条件下,求出主要目标尽可能好的值,易于决策者的决策选择,因此对实际问题常常很适用。本文的结构优化方法即以主要目标法将重量目标转化为指定的可接受的约束条件,以疲劳寿命为目标函数从而完成多目标优化问题向单目标问题的转化。
假设f1(X)为主要目标,而其余k-1个目标fj(j=2,3,…,k)有一组允许的界限值αj,即希望满足要求fj(X)≤αj(j=2,3,…,k),这样就可将多目标优化转化成单目标优化:
undefined。 (2)
式中:undefined。
4 飞机起落架扭力臂疲劳寿命优化设计
本文以飞机起落架扭力臂的疲劳寿命优化作为算例。某型飞机起落架承受飞机着陆撞击和滑行过程中的载荷,图1为主起落架中扭力臂,载荷边界为在孔C的端面环形区域加载P,位移约束边界在孔A和孔B的内壁,3个线方向的位移为0。扭力臂的材料为30CrMnSiA,材料疲劳性能数据见文献[6],采用文献[7]某飞机起落架的扭力臂载荷谱。由抗疲劳结构分析易知扭力臂单耳片过渡倒角x的大小是影响其应力集中的因素之一,此外由载荷传递路线可知y和z也是影响因素。
大型有限元软件ANSYS的参数化建模技术是先用一组参数来定义几何图形尺寸数值并约束尺寸关系,然后提供给设计者进行几何造型使用。它的主要思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征,从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案,这对工程的快速分析及优化设计起着至关重要的作用[8]。对于图1的扭力臂,只需要对它的x、y、z进行参数化就可以方便快速地建立相应的扭力臂的有限元模型,如图2所示。图2中,有限单元选取4节点四面体元。
表1给出了扭力臂结构x、y、z设计变量的空间。
以拉丁超立方体设计对变量空间构造样本点,考虑到选用完全二次多项式响应面模型,因其有10个待定系数(这里,10个系数指的是三元二次多项式共有10项,即10个系数),一般认为样本点在20～50有较好回归特性。本文按拉丁超立方体设计得到的试验方案的样本容量为31,由有限元模型直接计算出这些样本点对应的重量值。与此同时,利用我们基于ANSYS软件二次开发的疲劳寿命可视化模块可直接算出相应样本点有限元模型关键部位的疲劳寿命。各样本点及其对应的疲劳寿命与结构重量响应值见表2。
近似模型选用完全二阶多项式响应面模型,由上面拉丁超立方体设计得到的样本点和响应值得到如下公式:
疲劳寿命函数F(x,y,z)=67 793-2 365x-7 013y-5 396z+147xy+137xz+198yz-6x2+300y2+104z2。
重量函数:G(x,y,z)=511.54-15.77x+208.56y-42.13z+1.20xy+0.15xz-1.36yz+0.042x2-15.90y2+0.95z2。
利用疲劳寿命函数和重量函数的近似程度进行回归分析,疲劳寿命函数的相关系数为0.989,重量函数的相关系数十分接近1。这说明RSM模型近似程度相当好。
用主要目标法将其转化为单目标规划如下:
以原始设计点G0=835 g为例,对疲劳寿命函数F(x,y,z)进行优化,得到当x=25.0,y=6.8,z=20.0时,扭力臂寿命最大,最大值为25 292次载荷循环。此时,结构重量为834 g,满足设计要求。
参考文献
[1]沈海军,郭万林.基于结构疲劳寿命可视化技术的虚拟疲劳设计[J].中国机械工程,2003,14(11):930-932.
[2]方开泰.均匀试验设计的理论、方法和应用—历史回顾[J].数理统计与管理,2004,23(3):69-80.
[3]张建仁,汪维安,余钱华.高墩大跨连续刚构桥收缩徐变效应的概率分析[J].长沙交通学院学报,2006,22(2):1-7.
[4]罗世彬,罗文彩,王振国.基于试验设计和响应面近似的高超声速巡航飞行器多学科设计优化[J].导弹与航天运载技术,2003(6):2-9.
[5]朱凤志.四连杆机构参数的优化目标及主要目标法[J].煤矿开采,1997(2):49-51.
[6]吴学仁.飞机结构金属材料力学性能手册[M].北京:航空工业出版社,1996.
[7]龙凤鸣,张鸿元.飞机起落架扭力臂变行程疲劳试验技术研究与实践[J].航空学报,1993,14(10):503-505.
天线结构优化设计模型 篇5
2013年底, 某运营商启动LTE一期建设, 发现初期网络优化中的主要工作就是调整天线倾角。而工程人员在安装天线时, 设置倾角基本是依靠一张经验表格根据站高范围、站间距范围所给出的倾角建议值, 充满了不确定性, 容易导致安装误差。因此迫切需要对倾角规划办法进行改进、优化以满足工程需要。
2 天线倾角模型优化
天线倾角理论模型如图1所示。
已知天线高度H, 希望得到的覆盖半径R, 天线垂直平面的半功率角A。需确定天线倾角B。
根据图1可知倾角理论公式:
进而推导出
B=arctg (H/R) +A/2 (2)
而在现实场景中, 受地形、地貌、建筑物等因素 (统称为天线开阔度) 的影响, 为达到相同的覆盖半径, 实际天线下倾角和理论下倾角差距较大, 因此需要对理论模型进行修正、优化。
2.1 回归分析优化模型
为研究天线开阔度对天线倾角的影响, 采集了现场27个站的数据 (结合LTE网络特点, 确定 -115dbm作为覆盖边缘标志) 。由于开阔度不易明确定量, 将环境情况分为两类:开阔度优, 是指站点明显高于周边的建筑物;开阔度良, 是指站点与周围建筑物基本等高或者低于。现场数据见表1。
为回归方便, 首先把理论模型中的“arctg (覆盖距离 / 站高) ”作为一个变量考虑, 这样倾角模型就是一个线性方程。理论模型中, A为天线垂直波瓣宽度, 对于同一类型天线, A为常数。利用spss回归分析模块将现场数据导入, 进行数据处理、建模, 结果如下:
(1) 开阔度优的模型
数据分析结果见表2。模型的系数可信度符合统计要求。
a. 因变量: 倾角根据分析结果 , 得到此场景下倾角模型公式:
(2) 开阔度良的模型
选择开阔度良的基站数据进行回归分析, 结果见表3。模型的系数可信度符合统计要求。
根据分析结果, 得到此场景下倾角模型公式:
2.2 模型验证
为验证优化后的经验倾角模型对实际数据的拟合准确性, 把上述模型与理论模型进行数据对比, 如图2、图3所示, 发现:开阔度越差的场景, 实际数据与理论模型偏离越远, 这时经验模型能较好地反映实际情况。
图2、3中, 正方形为优化模型数据, 圆点为理论模型数据, 三角形为实际数据。从图中的拟合效果可以看出, 优化后的经验模型比理论模型能更好地反映实际数据。
3 利用泰森多边形计算倾角
3.1 泰森多边形确定覆盖半径
利用mapinfo中的功能插件可以生成泰森多边形, 如果要在此基础上计算覆盖半径, 则需把图层数据导出, 重新处理顶点数据, 做好多边形与基站的对应关系, 再利用mapbasic语言进行相应的软件开发, 以计算覆盖半径。
根据频段及基站位置的不同, 目前有三种计算覆盖半径的方法。如图4所示。
(1) 宽泛算法
取覆盖范围内基站到多边形顶点的最远距离作为小区的覆盖半径, 如图4中二小区覆盖半径取到A点的距离1153米。这种算法适合农村地区, 站点比较稀疏, 连续覆盖是主要考虑的问题, 为避免弱覆盖, 故选择最远距离作为覆盖半径。
(2) 严苛算法
取覆盖范围内基站到多边形边的垂线距离作为小区的覆盖半径, 如图4中二小区覆盖半径取到C点的距离565米。这种算法主要考虑避免重叠覆盖, 因为如果把到A点的距离作为覆盖半径, 肯定在C点会造成严重的重叠覆盖。这种算法适合城区内站点较密集的环境。
(3) 折中算法
取覆盖范围内基站到多边形边的垂线距离及到各顶点距离的平均值作为小区的覆盖半径, 如图4中二小区覆盖半径取到A、B、C点的距离均值915米。这种算法主要结合前面两种算法的优点, 既考虑连续覆盖又尽量避免重叠覆盖。
3.2 规划倾角
覆盖半径确定后, 即可根据优化后的经验倾角模型计算天线倾角。软件系统自动根据后台表中的信息进行计算, 为方便比较, 同时输出经验模型对应的倾角和理论模型对应的倾角, 导出的数据见表4。
4 结束语
考虑环境因素对无线信号的影响, 某运营商对理论倾角模型进行了优化, 创建了更能反映实际环境的倾角模型, 同时在mapinfo平台上开发了倾角自动规划软件。经过实践应用, 该方法可以减少工程施工中70%的倾角误差, 天线优化时间节省60%, 能在更短时间内完成网络质量优化工作, 因此具有较好的应用前景。
参考文献
[1] 尤肖虎.未来移动通信技术发展趋势与展望.电信技术, 2003 (6)
[2] 徐景胡宏林周婷.3GPP LTE标准化进展.中兴通讯技术, 2007
天线结构优化设计模型 篇6
关键词：地铁车辆,设备连接强度,有限元分析,接触,螺栓预紧
1概述
目前, 城市轨道车辆的各种设备均通过铆接、螺栓连接等方式安装于车体上。设备与车体连接部分的强度, 对保证车辆运营安全极为重要。本文分析了土耳其安卡拉地铁项目ATC天线安装座与车体安装支板之间的连接强度, 根据有限元结果分析对原方案进行了优化并给出了最终方案的计算结果。
2结构简介
安卡拉项目ATC天线通过安装座用螺栓连接到车体的安装支板上, 初始方案结构如图1所示。根据初始方案结果分析, 安装支板的刚度相对较弱, 导致连接部分的强度不能满足设计要求。考虑设备安装方便的基础上, 对安装支板结构进行优化, 加强了连接部分的刚度, 使刚度更为协调, 载荷的传递、结构的变形更为合理。最终采用如图2所示的结构方案, 该方案主要在安装支板上增加一道折边以及两块加强筋板。
车体安装支板及ATC天线安装座的材料分别为SUS301L-DLT、Q345, 材料的许用应力见表1。
3强度分析
3.1 计算模型
为分析ATC天线安装连接强度, 选取了车体安装支板以及ATC天线安装座作为仿真对象。结构几何模型的建立是用UG软件实现的, 有限元模型前处理在HyperMesh软件中实现, 计算及结果后处理在ANSYS软件中实现。安装支板及螺栓连接区域安装座采用六面体实体单元, 支架其余部分采用四边形壳单元。由于螺栓连接部分涉及到接触以及螺栓预紧问题, 故模型中还采用了接触单元、目标单元以及预紧力单元。最终方案的有限元模型, 如图3所示。
3.2 计算工况
欧洲标准EN12663-1:2010《铁路应用—铁路车辆车体的结构强度要求 第1部分:机车和客运车辆 (以及货车的一种选择方法) 》第6.5.2节中规定“为了计算车辆运行期间作用于附属设备上的力, 零部件的质量必须乘以表13、表14和表15中所规定的加速度, 载荷情况应分别施加。”计算中参照该标准相关要求设计了6种载荷工况, 具体工况见表2。
3.3 计算求解及结果分析
计算求解在ANSYS12.1中进行。接触是状态变化非线性中一个特殊而重要的分支, 本文中的计算涉及到接触问题, 因此, 需要根据非线性问题求解的特点对计算进行一些必要的设置。建立接触对时需要对罚刚度、初始接触状态等进行一定的调整, 同时ANSYS 程序提供了一系列命令来增强求解的收敛性, 如自适应下降、线性搜索、自动载荷步长及二分等, 可被激活来加强问题的收敛性。对以上参数及选项进行适当地调整后, 能够在消耗较少计算资源的同时得到较精确的解。本文的计算中同时加载有螺栓预紧力, 须根据预紧力加载的特点对求解载荷步进行合理的设置, 否则计算可能因产生刚体位移而终止。下面给出最终采用方案的有限元计算结果。
通过有限元计算, 得出的工况1等效应力云图如图4～图6所示。各工况应力情况见表3。
3.4 结果分析
通过有限元计算分析得出以下结论:在所有计算工况下, 最终方案各个部分等效应力均低于屈服应力, 有一定的安全裕量, 结构强度符合相关标准及设计要求。
4结语
设备与车体连接部分的强度对列车安全运营极为重要, 每个项目不同设备的连接方式、结构形式不尽相同, 除了考虑安装需求外还要充分考虑连接强度。该项目的ATC天线安装座与车体安装支板采用螺栓连接的方式进行安装, 在项目前期对该连接方案进行了模拟论证计算, 根据结果分析对结构进行优化后找到满足强度要求的结构方案。
参考文献
