雷达天线升降机构力学分析--大学毕业论文设计.doc

学 号 2010024212密 级 哈尔滨工程大学本科生毕业论文雷达天线升降机构力学分析院（系）名称：航天与建筑工程学院专业名称：工程力学学生姓名：王超凡指导教师：张治勇 副教授哈尔滨工程大学2014年6月雷达天线升降机构力学分析 王超凡 哈尔滨工程大学学 号 2010024212密 级 雷达天线升降机构力学分析Mechanical analysis of radar antenna lifting mechanism学生姓名：王超凡所在学院：航天与建筑工程学院所在专业：工程力学指导教师：张治勇职称：副教授所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：2014年6月论文答辩日期：2014年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学学士学位论文摘 要本篇论文是以有限元分析方法和随机风载荷为理论基础，并应用ANSYS软件对雷达天线升降机构进行实体建模和力学分析。根据分析结果，对结构的合理性进行判断和解释，然后结合结构优化设计的理论，对升降结构进行优化。本文首先介绍了有限元法和ANSYS软件，然后简述了风的基本特性，特别是对平均风进行了重点的描述和讨论。并根据建筑学概论把风转化为风载荷，给出了其一般求解公式。在结构有限元建模方面，定义了不同杆件的截面，以及梁单元的选取、划分网格的技术，然后利用耦合解决了节点的铰接和自由度约束问题。运用ANSYS软件，对雷达天线升降机构建模，并分析在静态风载荷作用下的水平方向位移、垂直方向的沉降量以及应力，对于出现应力集中的地方，加以强化。最后通过运用结构设计变量的理论，改变撑杆的截面尺寸，探讨其优化设计。分析结果表明,在风载荷作用下，此升降机构位移量满足设计要求，但是也会出现应力集中问题。关键词：有限元法；随机风载荷；升降机构；优化设计ABSTRACTThis paper is based on the theory of finite element analysis method and stochastic wind load, and using ANSYS software for solid modeling of the radar antenna lifting mechanism and mechanics analysis. According to the analysis results, judge the rationality of the structure and explain, and combining with the theory of structure optimization design, optimize the lifting structure.Firstly, this paper introduces the finite element method and ANSYS software, then, briefly describes the basic features of the wind, especially focuses on the average wind in the description and discussion . And according to the architecture of the wind into the wind load, its general solution formula is given. In terms of structure finite element model, the different bar section is defined, as well as the selection of beam element, the grid technology, and then using coupling solves the problem of pin and freedom restriction. Using ANSYS software builds the radar antenna lifting mechanism model, and analyses the static wind load under the action of horizontal displacement and vertical settlement and stress, for in place of stress concentration, to strengthen them. Finally, on the basis of the theory of structural design variables, by changing the section of bars, exploration of its optimization design could be achieved. Analysis results show that：under wind load, displacement of this lifting mechanism meets the design requirement, but the stress concentration problem also occurs.Keywords: Finite element method; stochastic wind load; lifting mechanism; optimization design目 录 第1章 绪论11.1 课题的来源、背景和意义11.1.1 课题来源11.1.2 课题背景及意义11.2 有限元法及ANSYS11.3 升降机的发展21.3.1 升降机在国内外发展现状21.3.2 升降机构的分类31.4 本篇论文的主要工作6第2章 随机风载荷82.1 引言82.2 风的基本特性82.2.1 风的概述82.3 风载荷的形成82.4 风载荷的作用92.4.1 风向92.4.2 风速的测量92.4.3 风的作用92.5 风载荷的计算102.5.1 风压102.5.2 风载荷系数112.5.3 受风面积112.6 本章小结11第3章 结构有限元建模的基本操作123.1 前言123.2 几何实体建模的图元操作123.3 有限元建模的原则133.3.1 模型简化原则133.3.2 对称性应用原则143.4 有限元网格的划分143.4.1 网格划分方式153.4.2 网格划分控制153.4.3 划分网格的准则163.5 节点的约束处理耦合173.6 小结18第4章 雷达天线升降机构的力学分析194.1 引言194.2 雷达天线升降结构的有限元模型194.3 静态分析264.3.1 8级风载荷作用下机构的静态分析264.3.2 10级风载荷作用下机构的静态分析284.3.3 12级风载荷作用下机构的静态分析314.3.4 讨论50 m/s的风速下机构的静态分析344.4 升降机构的合理性分析374.5 小结37第5章 雷达天线升降机构的优化385.1 结构优化中的设计变量385.2 结构优化设计的方法385.3 优化升降机构的撑杆的截面尺寸395.4 小结41结 论42参考文献44攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成就45致 谢46第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题的来源、背景和意义1.1.1 课题来源本论文课题研究来源于国防某军事雷达项目，主要是研究“车载雷达天线升降机构力学分析”中的内容。1.1.2 课题背景及意义在当今世界整体和平，局部摩擦冲突，甚至小规模战争的大环境下，国家间利益与主权的重叠和冲突，在未来势必会爆发小规模冲突或战争，然而电子信息战在现代战争中作为取得胜负的先决条件，发挥着举足轻重的作用。车载雷达以其机动性能好，在复杂的环境和地域的条件下，基本不受到限制，快速的反应能力，在军事侦察以及情报收集被广泛应用，由于现代国家对于电子对抗战越来越重视并且大力发展其信息对抗能力，外来军事的电子干扰和监测正干扰着地面车载雷达的正常工作，隐身性能的提升，反雷达导弹，超低空突防的威胁。车载雷达以其优良的机动性能，快速展开与撤收，并满足公路运输的条件，势必会大大提高其战争中的生存能力，是有效面对敌对威胁的技术手段，也是今后世界军事雷达发展的大势所趋。天线升降机构是雷达系统的重要承重组件，要在不同环境下，天线车进入阵地之后，快速将天线组件举升到高处，进入工作状态，撤收后能将天线组件收回。1.2 有限元法及ANSYS有限元是一种专门求解偏微分方程的数值计算方法，有一定的一般性和实用性1，并且很容易被推广和接受，所以，自从有限元方法诞生以来，关于有限元方面的研究理论和一些实践的应用上都取得了长足的发展2。现在，有限元方法已经变成为了工程实践和科学研究等领域的一项必不可少的分析方法和手段3。20世纪60年以后，计算机科学技术的快速发展和极其广泛的应用，有限元法得到突飞猛进的发展4。现在所用的ANSYS带有了直接可以操作的GUI（可以显示图形）工作界面，整个命令菜单，工具栏和对话框等，这些功能与过去的版本相比已经有很大的进步了。在航空航天领域、汽车制造领域、以及核工程领域等，你都能发现ANSYS已经被深入的应用于这些行业之中。只有先透彻地理解有限元法的理论精髓和它的优缺点，工程技术人员才能更好地使用ANSYS等软件解决一些实际的工程问题。在很多操作系统和计算机中都能运行ANSYS软件，包含个人电脑和大型计算机，ANSYS软件的兼容性极好，可以在同类产品和工作平台运行其文件。多物理耦合的功能是ANSYS的一个十分重要的功能，这一特性能让它在相同的模型上进行不同种类的耦合计算，这大大方便了工程技术人员的实际使用和操作。并且，ANSYS可以和大多数CAD软件相结合起来应用，做到图形及其他相关文件的共享，这是现代软件设计的一个重要要求。当然ANSYS软件还提供一个可以改进的清单，可以帮助进行结构优化设计等5。1.3 升降机的发展升降机是属于一个历史范畴的概念，在十九世纪九十年代前，那时人类还没有发明电梯，在那个时候载人或者载物的升降装置，就叫做升降机。当然，在距离我们很远的时代，即原始的和简单的升降工具，应该叫做绞车。自从电梯被发明以后，在这期间一百多年内，两大类升降设备：电梯和起重机，一直处于不断地发展与改进之中。升降机逐步发展为电梯，当然也逐渐发展成了起重机等。 现在的升降机都朝向起重机类方向发展，主要包括曲线施工升降机、钢索式液压提升装置、施工升降机、简易升降机、升降作业平台和高空作业车等6。这些都属于升降机一般所包含的范畴。第一部分：升降机狭义所包含的范围，主要是施工升降机和简易升降机6。第二部分：大致是属于电梯范围内的，主要是杂物电梯、自动人行道和特殊类型的电梯，主要包括特殊类型电梯中的倾斜电梯和通用的楼梯电梯，当然也包括家庭电梯准确地说它属于住宅电梯范畴，而且住宅电梯也是乘客电梯中的一种。第三部分：其他的升降设备，包括矿井电梯（也可以叫做矿井提升机）、短程穿梭系统和单轨交通6。当今社会，升降机仍然是一种非常重要的升降设备，现在最大的问题就是升降机的安全问题，很多新闻报导过此类事故的发生，因此要对此类问题进行警惕和非常大地关注。1.3.1 升降机在国内外发展现状据研究表明，中国已经成为了全球升降机最大的市场，具体来说就是中国已经成为世界上最大的升降机生产基地，并且拥有者最多的升降机6。当今，随着我国科学技术的发展和生产工艺的突飞猛进，我国所年产升降机数量屡创新高，并且产品质量也获得了国际市场的认可。巨大的生产力和良好的质量，不仅能够满足国内对各种升降机构的需求，同时可以外销到国际市场。升降机所拥有的巨大潜力市场几乎引起了所有全世界升降机企业的空前关注。近年来，中国出台了一系列的调控政策，就是为了使得升降机市场更加规范，更加具有竞争力。升降机行业在中国的发展取得了前所未有的成就，产品数量也突飞猛进。然而由于中国地区经济发展的不平衡性，升降机行业的发展就体现出了明显的不均匀性。一些工业较为发达的地区例如华东和华南地区，已经成为了中国升降机行业的制造中心。而在近20年，在世界范围类，升降机行业发生了巨大的变化。机动升降机和全固定升降机产品的快速发展，原有的产品和市场的格局已经被打破，在经济快速的发展下和市场机制的作用下，造成了世界升降机构这一行业更加趋于一体化。升降机的主要生产国是美国、日本、德国、法国、意大利等。美国是工程升降机的主要生产国，又是世界上最大的市场之一，然而日本和德国在技术和实力上的崛起，使得美国在全球市场的整体占有率受到冲击7。当今世界，由于各种工程的需要，升降机的需求量越来越大，因此其前景与市场是不可估量的，但是由于各国对其市场的愈加重视，未来在升降机行业必然会更加具有竞争力。1.3.2 升降机构的分类目前升降机构通常所采用的结构设计方式主要有套缸式、剪叉式、桁架套叠式和导轨式三种方式6。套缸式通常使用在载荷比较小和计算结果精度要求不是太高的情况下的场所。如果作用载荷相对比较大或者举升的高度比较高时，这时套缸的直径太小的话，整个机构就会产生一个非常大的左右摆动，安全性达不到要求。然而，要保证套缸式升降机构的刚性就必须增大套缸的直径，这时，液压油的用量和升降机构的本身的自重就会太大，这不利于公路机动运输。套缸式升降机如图1.1所示：图1.1 套缸式升降机桁架套叠式也是一种经常使用的升降机构，在机动的运输中也会经常的使用。然而主要的缺点是升降机构举升到较大地高度时，如果想要保证摆动的结构复杂精度，特别是导向部分难度是非常大的，花费的成本也会很高。而且，如果要达到举升25米的升降高度，所需要的升降机构的节数比较多，因此这些节该进行怎样的合理布局也会显得相当困难。桁架式升降机构如图1.2所示：图1.2 桁架式升降机剪叉式结构在升降机构中可以说是应用的最广泛的一种升降机构，在固定的和机动方面应用的都是非常普遍的。其有很多的优点，主要是结构相对来说是比较简单的，而且升降速度是非常迅速的，一般就能达到510米/分钟。而且，国内目前所采用的普遍是十六米以下的升降机构，如果超过了这个高度，那么在对升降机构进行加工的精度和工艺水平就有非常高的要求。剪叉式升降机构如图1.3所示：图1.3 剪叉式升降机构此外经常在楼层中和一些商场里面，其他升降机构也是很普遍的，例如：导轨式升降机和倾斜电梯。导轨式升降机构如图1.4所示：图1.4 导轨式升降机构倾斜电梯如图1.5所示图1.5 倾斜电梯1.4 本篇论文的主要工作本篇论文主要是对雷达天线升降机构进行有限元分析，这其中涉及平均风速的定义，风载荷的计算、加载的模拟和对几何实体结构升降机构有限元建模，并应用ANSYS软件来对雷达天线升降机构进行静力学分析。并讨论此升降机构的举升能力、水平方向的位移、垂直方向的沉降量和总体设计的合理性，并且根据结果开进行优化设计。 雷达天线升降机构有限元分析过程大致如下8： 1.实际问题2.力学模型3.有限元模型4.数值计算5.结果评估概括本篇论文的主要工作可归纳如下：第一步：介绍一下风的基本特性，以及平均风的概念，不考虑脉动风，把风作为一种静载荷看待施加于结构之上。了解相关的风载荷计算公式，以及风载荷系数的定义和取值，特别是风压计算公式。通过公式对风载荷进行可操作性的实现。为后面的风载荷加载做好充足的准备。第二步：在对机构进行建模之前，要深入学习ANSYS软件的操作，特别是对如何网格划分问题进行探讨，还有自定义截面梁单元的选取，以及结点的约束问题即是梁与梁之间的连接问题，都至关重要。并以雷达天线升降机构建模为例，应用相关的技术，使整个建模的约束和网格问题都得到解决，为后面的分析打好坚实的基础。第三步：利用ANSYS软件，对雷达升降机构进行有限元分析。主要是进行静态分析，然后对结果进行评估，做出相应的评价并给出实际建议。第四步：对优化的理论和方法进行适当的讨论，并以升降机构为对象，探讨其举升能力和刚度，判断所得结果的合理性。47第2章 随机风载荷第2章 随机风载荷2.1 引言自然风是一种随机载荷，无论是在露天条件下工作的任何机器设备，都会受到一定的风载荷的作用9。由于经常工作在野外，雷达天线升降机构除了受到天线重力载荷和自重以外，风载荷也是一种不可忽视的外载荷。特别是在计算强度，刚度，稳定性时，随机风载荷是必须作为一种外载荷来考虑的。而且风载荷会引起整个雷达升降机构的结构变形和沉降，如果变形位移过大会直接影响整个雷达的正常工作，由风导致的事故是风载荷造成整体的翻转或者局部失稳变形，因此在整个计算模拟过程中，风载荷是必须考虑的载荷，其影响是不可避免的另一重要因素。而在对雷达升降机构结构进行一定范围的定性分析时，就要找到一种风载荷模拟的方式来进行结构加载，而要使风载荷模拟的形式在实际真实的机构设计中计算使用，这就必须要求模拟的风载荷尽可能的满足和适合自然风的一些特性，并且在适用范围上要满足有效性和普适性。2.2 风的基本特性2.2.1 风的概述风是由平均风和脉动风两部分组成，时间长周期部分，通常持续在十分钟以上，时间短周期部分，一般持续只有几秒左右，换种说法就是分为平均风和脉动风二个不同的部分分析10。风是一种流体，但密度是比较小的，是一种动载荷。平均风是一种相对稳定地风，可以看作是一种静态力作用，而脉动风是一种瞬时阵风，变化周期不规则，会对结构产生冲击力作用，强大地脉动风也会对整个结构产生较大地影响，有时计算除了考虑风的静力作用还要考虑冲击力的作用。然而，对于刚度很大的雷达天线升降机构，脉动风的动力作用影响很小，因此只需考虑平均风静力加载作用，对于刚度较小的其他结构，例如：天线等，风的动力作用是必须计算的。2.3 风载荷的形成不考虑地球表面空气团自身的重力，也不考虑空气团与地面的摩擦力，大气层可以近似看作很多密度不同的层流层，由于这些分层的相对流动产生了风，物体表面所受到的风力是由压差阻力和摩擦阻力组成的11。由于空气作为流体具有一定的粘性，在物体表面附近边界层各流层之间的粘滞力叫做摩擦力。对于整体流线型的结构，压差阻力相对较小，主要考虑摩擦阻力，而对于非流线型结构，摩擦阻力比压差阻力相对小的多，所以主要考虑压差阻力。因此，雷达天线升降机构主要受到压差阻力的作用。2.4 风载荷的作用2.4.1 风向空气质量流速方向称为风。如果空气由东面吹来那就称为东方风。风向能由风向标（一种围绕立轴旋转的金属片）表示仪器指示，而且，从叶片和主轴承的固定棒位置之间可观察到的风。事实上，在一些相对重要的场合和环境中，风向和风速可在精密仪器同时使用时，连续测量并记录。2.4.2 风速的测量测量风速的仪表可以大致分为三类：旋转式测量，压力式测量和其他方式12。最常用的旋转式风速表是风怀式风速表。这种风速表的内部组成是三个风杯与转子，转子是由短轴连接组成，风杯和转子绕着球轴承旋转，转轴下部驱动一个被包围在定子中的多极永磁体12。指示器测出随风速变化的电压，显示出对应的风速值。当风速达12 m/s时，风怀式风速表就可以启动。风速由10m/s突然变到20m/s时，风速计记录到的响应时间 大约是1.3s,此外还有微型多叶片风力机的的压力风速表12。 压力式风速表中，在现代最常用是皮托管。皮托管的发明者是法国工程师Hcnri Pitot。皮托管是由两部分组成：总压探头和静止探头，利用流动空气的总压（滞止压力）与静压之差，即动压来测量风速。其他方式，例如有热线风速仪等。2.4.3 风的作用 雷达天线升降机构在承受到风的作用之后，不但在迎风方向产生风力的作用，而和其相互垂直的横向上，也产生风力的作用，还会产生风力矩，这是风作为一种载荷有区别于其他载荷的特征。如图2.1所示： 迎风方向风速平均风速图2.1一般情况下，升降机构在受到风力的作用，横向风力的作用效果大概只有迎风所受力的作用的四分之一，因此，横向风力影响作用较小，可以不加考虑。2.5 风载荷的计算因垂直剪叉构件长度方向的表面受风面积比平行剪叉构件的受风面积大，所以风载荷大，此方向为雷达天线升降机构抗翻转能力最薄弱的面。作用在升降机构的风载荷与风载荷标准值，基本风压，受风面积（即升降机构的尺寸大小和形状有关）。因此，升降机构所收到的风载荷可以由以下公式求得： （2-1） （2-2）式中，F是风载荷；是风载荷标准值；S是受风面积；是瞬时风压的阵风系数；是局部风压体型系数；是风压高度变化系数。2.5.1 风压由于升降机构的阻挡，使整个机构附近空气流通受阻，动压开始下降，静压开始升高，整个机构的侧面和背面产生局部涡流，静压下降和远处受阻碍的空气气流相比，这种静压的升高和降低统称为风压13。该压力是垂直于由风压空气流动方向的平面。根据伯努利方程得出的风压关系，风的动压为： （2-3）其中为风压N/，为空气密度kg/m3，v为风速m/s。由于空气密度()重度(r)的关系为 r=g, 因此有 =r/g。在(1)中使用这一关系，得到 （2-4）此式为标准风压公式。在标准状态下(气压为1013 MPa, 温度为15), 空气重度 r=0.01225 kN/m3。重力加速度一般取g=9.8m/s2, 我们得到基本风压公式： （kN/m2） （2-5）此公式为用风速计算基本风压的一般公式。应该指出的是，空气的密度和重力加速度随海拔和纬度的变化而发生改变。一般来说，空气的密度在较高的海拔上要比在海拔较低的地区小，即在一样的风速情况下，在相同的温度下，整个机构所产生的风压在海拔高的地区上比在海拔低的地区小。2.5.2 风载荷系数风载荷系数有：瞬时风压的阵风系数；局部风压体型系数；风压高度变化系数。在此升降机构计算中： =1，在迎风侧面取值为+0.8，在背风侧面取值-0.5，=(0.8+0.5), =1.42。2.5.3 受风面积受风面积一般取认为是垂直于风方向的投影面积，此升降结构可以取为投影面积最大的面积，即整个机构的平行面积作为受风面积S。因此，在计算风载荷时，直接计算受风面尺寸的面积即可。2.6 本章小结本章首先对风的基本特性进行描述，主要研究的是平均风，作为一种静力载荷计算14。并介绍了风载荷形成的基本原理，以及风载荷的作用.其次是介绍各种风速的测量，和风载荷的计算，并给出了风载荷基本通用的计算公式，同时给出了风压的计算和三个风载荷系数的具体取值，为以后章节施加风载时做准备。第3章 结构有限元建模的基本操作第3章 结构有限元建模的基本操作3.1 前言 实现结构有限元建模是实现对所要分析实际结构的必要前提。这种方式相对更加智能化，而且充满了使用者更加自我的判断。对有限元建模理解不同的人使用同一款有限元软件来分析同一个结构时，那么分析所得到的结果可能也不一样，这就是建模时的区别所致。因此，如何把一个几何实体结构进行最合理的有限元建模，显得是如此的困难和重要。这就要求使用者必须具备一定的数学计算基础，工程问题的实际经验，和熟悉软件的基本操作，并且要有敏锐的洞察力，合理的判断能力，对结构做出更合理的建模，满足其物理特性，同时又满足一定的计算要求。在对复杂的结构进行有限元建模（例如发动机，飞机机翼，内燃机等）分析时，通常会花费大量的人的精力和时间，这也是操作人员非常烦恼的问题。怎样做到有效，快速，合理地对结构进行有限元建模一直被业界广为关注，也是技术人员深刻关切的问题。所以，有限元建模的合理与否是对结构分析计算结果正确的重中之重。这也是本篇论文能否继续与成功的关键所在。3.2 几何实体建模的图元操作ANSYS提供了几何实体建模的功能，虽然关于此功能没有设计出非常好操作的GUI操作界面，但是这些功能可以满足操作者进行有限元分析的要求。使用ANSYS操作进行几何建模，主要的内容包含图元的基本操作、图元通用操作和图元布尔操作。在通过ANSYS最终建立的有限元模型中，所有的图元都可以按层次关系进行分层。各层图元按层次关系从低到高依次为5：关键点（包括点载荷）；线（包括线载荷）；面（包括面载荷）；体（包括体载荷）；节点（包括节点载荷）；网格单元（包括单元载荷）。并且根据创建几何模型图元的顺序不同，可以将ANSYS中的几何建模方式分为两种基本方式，一个是自上而下建模，另一个是自下而上建模。自下向上建模即首先定义模型的最低级的图元即关键点，再依次在关键点上创建线或体，在线上创建体的顺序创建几何模型的建模过程；自上而下建模就是首先创建高级图元层次，有高级图元在ANSYS程序的辅助下自动生成低级图元的几何模型建模过程。合理地使用两种建模方法，可以发挥在ANSYS中建模的效率。另外，ANSYS还提供了很多模型操作的功能，包括布尔运算、拉伸、旋转、复制等。关键点是ANSYS有限元模型里最低级的图元，可以直接创建，也可以通过建立更高级的单元自动生成，在自上而下建模的过程中，首先创建的应该是关键点5。关键点是空间中的点，关键点还分为普通关键点和硬点。主要有以下方法来创建关键点：通过空间的位置定义关键点；通过线上给定位置定义关键点；通过三点确定圆弧中心定义关键点5；通过两关键点生成关键点；通过节点定义关键点；计算并移动关键点到交点生成关键点等。线可用于表示几何模型的边，可以通过空间坐标、关键点的创建，或生成面和体时自动生成。主要由以下操作：由两关键点创建直线；由三个关键点生成弧线；由圆心和半径创建圆弧等。面的主要操作主要是由关键点定义面；通过边界线定义面；倒角面；通过偏移和部分复制生成面等5。基本体的操作包括：由顶点、边界定义，由偏移、拉伸生成体。3.3 有限元建模的原则3.3.1 模型简化原则车载雷达天线升降机构整个实物模型其实是相当不简单的，如果在建立力学模型的时候，没有简化，全部按照实物来，那么在进行机构的数据的输入，然后在分析时整个工作量是非常庞大的。当然，介于一些实际结构的复杂，这种做法几乎是不可能实现的，也不是必要的。根据于实际工程经验，简化实物结构后再进行建立有限元的模型，得到的计算结果与实物测试结果误差在实际工程可接受的范围之内，所以这种简化是值得接受和认同的。例如本篇论文所要分析的车载雷达天线升降机构，其升降机构采用的是七级剪叉式结构组合，各个支架之间的连接点是十分复杂的，基本上都是铰接，对于此种情况的超静定结构基本节点在简化都按照铰接处理进行耦合，整个结构就简化为梁单元组成。怎样简化实物机构，建立有限元模型，基本上没有什么可以遵循的原则和规律，并且这方面也很少有人做，只是书上一些简约的建议性的指导，无法给我们在对实际机构进行建模的有用的指导，特别是分析相当复杂的结构15。因此，在实际建模中只有凭借工程技术人员进行切实的实际判断，然后对模型进行合理的简化，才能建立有效地力学模型。不可否认，长期解决此类问题并积累丰厚经验的技术人员，在面对同一类型或者相似结构的时候，能够凭借大脑中积累的经验，做出合理的判断。因为实物机构往往是复杂的，建立有限元模型的时候有些细节性的问题一定要忽略，例如一些焊缝、垫片、圆弧角等。当然，这些细节不是盲目的忽略，有些对整个问题的研究几乎没有什么影响是可以不考虑的。如果细节和载荷的施加有关，或者跟约束相关，是不可以不考虑的。但是现在也没有这方面的准则，遇到这种问题就应该根据实际机构和目标所求，进行实际详细地分析和研究。当其他两个尺寸远远小于另外一个尺寸时，那么这个结构就可以看作成杆件结构，这种三维实体简化方式叫做减维，这也是进行有限元建模的一种比较实用的手段。雷达天线升降机构的支架和撑杆就可以看作是梁，有轴力作用，也有弯矩和剪力的作用，可以用梁单元进行处理。在实际的工程应用机构中，通常采用梁单元去分析刚架机构，而采用杆单元去分析桁架机构，若要计算剪应力及弯矩等，可以采用梁单元进行模拟。那么梁究竟是怎么定义的也没有太固定的标准，通常认为其在某一个方向的尺寸与另二个方向的最大尺寸的比值大于等于5时，就认为这种杆件为梁。这些简化的处理会在我们建立有限元分析模型的时候给予我们莫大的帮助，是处理复杂机构的计算模型的行之有效的原则。3.3.2 对称性应用原则对称性是广泛存在于在各种结构中的，存在完全对称的结构只需要把整体结构的一部分绕某个中心点、轴线或平面进行旋转、镜像等操作，就能够得到整体结构，而不改变整体结构的约束和物理条件，整体特征不变。在ANSYS建模中，可以利用对称性直接进行复制等，大大减少了工作量，对称包含了对称约束，对称边界条件和对称载荷等5。对称约束是指在对称的节点具有相同的物理条件；对称边界条件包含在应用中可以使用的对称或反对称的边界条件，在结构分析中，对一个平面内的节点定义对称或反对称边界约束条件，可以对这个平面内的节点施加三个自由度方向的约束；对于对称载荷施加对称或反对称边界条件可以将载荷对称地或反对称地施加到相应的节点上5。对称或反对称边界条件的设置方式包括如下三种：节点对称设置；线对称设置；面对称设置。由于结构对称性的应用，可以减少建模时的工作量和整个模型的计算量，但是前提是正确合理的应用结构的对称性，不然很可能会对计算结果产生误差影响。3.4 有限元网格的划分划分网格是实体模型转化为有限元模型的关键性的一步，并且有限元建模主要指的是划分网格5。力学模型的网格虽然没有固定的方式，但是网格的划分的好与坏会直接影响结构在ANSYS中的分析结果，这是必须加以重视和商讨的一点。ANSYS对几何模型进行网格划分，生成节点和网格单元的操作，从整体上看包括三个步骤：定义单元属性；设置网格划分选项；划分网格。第一步定义单元属性是进行网格划分的基础，其使网格具有材料、求解采用的方程等属性；设置网格划分控制选项，能够让网格单元分布、尺寸更加均匀，缩减整个分析的计算量，提升结果的精确度；而划分网格的完成才是真正地创建了有限元模型。3.4.1 网格划分方式ANSYS 提供了两种基本的网格划分方式，分别为映射网格划分和自由网格划分。在对模型进行网格划分之前必须考虑选择映射网格还是自由网格，这显得尤为重要,典型的自由网格划分和映射网格划分如图所示5： 图3.1 (a) 自由网格划分（左） 图3.1（b）映射网格划分（右）自由网格对实体结构的形状并没有限制，并且不必遵循专门的划分准则。和自由网格相比较，映射网格对实体结构的形状有规定，并且一定要满足特定的规范16。对于简单的结构模型，映射网格的划分方式的时间花费长尚能承受，但是对于复杂的结构，就必须考虑时间花费的代价，然后决定是否采用自由划分方式。如果要求对模型的应力大小及分布情况进行定量的分析，应该采用映射网格划分的方式，并且网格单元的节点应该规律分布。自由网格划分得到的单元分布没有规律，极大的限制了ANSYS的选择功能，若采用不同批次处理的方式，应该采用映射网格划分。3.4.2 网格划分控制网格划分的控制主要包括：网格划分GUI；网格属性设置；网格尺寸控制；网格形状控制；划分方式控制5。因为本篇论文是分析雷达天线升降机构，所以选择以梁单元为模型，所以网格的尺寸控制就显得较为重要。ANSYS采用两种方法进行网格尺寸控制，分别是智能网格尺寸控制和手动网格控制。智能尺寸控制，是在使用自由网格划分时可以采用的尺寸控制方式，这种控制方式为自由网格划分得到合理的单元尺寸和形状提供了简便的途径。这种控制采用的算法是首先扫描一下需要划分网格的所有线，并且自动估计网格单元合理的划分长度，使整个自由网格划分更加合理化。并且控制单元的形态，使其更加符合计算。值得保持注意的是，直接划分网格单元虽然容易控制，但是数据量极大，操作量会很大，除非是建立非常简便的力学模型，否则不适于直接用自动生成划分网格的方法。 图3.2（a）三角形划分 图3.2 (b) 四边形划分3.4.3 划分网格的准则 网格的划分的形式会直接影响力学模型的计算精度，下面的准则将会给予我们帮助。第一：网格数目网格数目的多与少会对模型的计算精度和计算的复杂程度产生一定的影响。通常来说，增加划分网格的数目，可以在计算时，提高精确度，减少实际误差，但肯定会增加划分时间和计算的规模。因此权衡网格数目的多少显得尤为重要。模型在静力分析时，如果只是计算结构的位移和变形，网格划分的数目少一些为好,在精度要求相同的情况下，需要对模型结构进行应力计算，则网格数目应该多些为宜。在计算机构的固有频率时，如果只是分析前几阶的模态图，那么较少的网格数目就能满足要求，若分析的模态较高，那必须增加网格数目17。同样在对结构进行热分析时，若内部温度差不大，分析时不需要太多的单元，较少的网格基本上就可以满足计算。第二：网格疏密 在划分单元上，结构上不同的部分应该划分为大小不一样的网格，也就是说各部分的疏密有所不同，这也是为了相适于计算的特点。在应力集中位置，为了精确地计算数据，网格必须划分密集一些，这样才能使计算结果误差减小。某些部分对精确要求不是太高时，为了减少数据计算量，就可以网格划分的稀疏些。如此一来，整个结构就显示出了疏密不同的网格划分方式。如图3.3所示：图3.3第三：节点和单元编号 节点和单元的编号会影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因此会影响存储容量的大小和时间的长短，因此合适的编号有利于提高运算速度18。然而对于复杂的一些机构和采用自动生成网格的形式，有目的确定合适的单元编号很难。ANSYS软件中自带有优化模块，在自动网格生成后可以优化带宽和波前数，这样做，就会在很大程度上降低操作人员的工作量。3.5 节点的约束处理耦合雷达天线升降机构是由支持斜杆，撑杆和天线支架构成，且各种结构的选用的材料和尺寸并不一样，而他们之间靠的是轴销，垫片连接，并且杆与杆之间还有缝隙等，这就要求在进行有限元建模简化的同时，必须使节点的约束更加合理。