Анализ возможностей пакетов проектирования по моделированию тепловых воздействий на параболические антенны

Астафьев И.В. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПАКЕТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ

Проводится анализ возможностей наиболее известных конечно-элементных программных пакетов по построению геометрических, тепловых и электродинамических моделей для исследования влияния тепловых воздействий на характеристики параболических антенн, а также их достоинства, недостатки и возможности. Даны рекомендации по целесообразности использования рассмотренных программных продуктов для решения поставленной задачи.

Математическое моделирование тепловых воздействий на параболическую антенну представляет собой сложную задачу. Значительную помощь в проведении такого исследования могут оказать существующие пакеты прикладных программ. Представить полный список специализаций конечно-элементных программ, как и полный список всех пакетов программ конечно-элементного анализа (FEA-пакетов), фактически нереально. Однако провести краткий обзор наиболее распространенных конечно-элементных программ не только возможно, но и необходимо. Какой программный продукт выбрать для моделирования теплового воздействия на конструкцию параболической антенны? Рассмотрим три наиболее известных многофункциональных и мощных пакетов, их достоинства и недостатки, так же особенности создания конечноэлементной модели, задания граничных условий и т.д., относительно вышеописанной задачи. Ansoft, COSMOS, ComsolMultiphysics [1-3].

Одним из основных отличий Ansoft от COSMOS является особенность генератора КЭ сеток в расчетных системах семейства COSMOS (что не может не сказаться на результатах моделирования параболической антенны) , при разбиении сложных сборок требует задание параметров разбиения вручную и требует наличии специалиста высокой квалификации и знаний в области генерации сеток. Пакет COSMOS при расчете сборок с контактными элементами (особенно, для расчета температурного состояния и расчета форм и деформации) требует согласования узлов для контактирующих поверхностей деталей чего добиться нелегко. Соблюдение этих требований часто приводит к генерации элементов с плохим качеством формы и, следовательно, к неправильному расчету наряжено-деформированного состояния, что может плохо отразится на достоверности модели параболической антенны. Так же автоматическое нахождение сходимости решения не работает в программных продуктах семейства COSMOS при расчете сборок с контактными элементами. Этой важной опции нет для расчета температурного состояния и расчета форм и собственных частот, как для сборок, так и для деталей. В семействе программных продуктов ANSYS есть дополнительный модуль оптимизации DesignXplorer при чем как в графической оболочке Workbench, так и в традиционном интерфейсе. В этом модуле реализованы практически все известные и широко признанные алгоритмы оптимизации: Design Of Experiments (DOE), Design for Six Sigma (60) (DFSS), NLPQL, Variational Technology (VT), Monte-Carlo которые позволяют оптимизировать конструкции, выбирая наиболее подходящий алгоритм. Эти широкие возможности позволяют проводить оптимизацию для десятков целевых параметров, варьируя значениями сотен входных параметров. В семействе расчетных систем COSMOS тоже есть дополнительный модуль оптимизации, но поддерживаемая им оптимизация является « словной» так как работает одновременно только с одной целевой функцией, что не позволяет решать реальные задачи оптимизации конструкций. В программных продуктах семейства COSMOS не реализована возможность ассоциативной связи с другими CAD пакетами (Solid Edge, Pro/E, Autodesk Inventor, Unigraphics, HFSS) что не благоприятно скажется при конвертации геометрической модели антенны в пакет для создания электродинамической модели. Из расчетного модуля среды Workbench DesignSimulation продуктов ANSYS Workbench Products в любой момент можно передать конечно-элементную модель антенны в традиционный интерфейс ANSYS для проведения более сложного инженерного анализа, а также есть возможность передать ее для расчета в MSC Nastan и ABAQUS и HFSS для построения электродинамической модели и исследования электродинамических характеристик параболического зеркала. Продукты семейства COSMOS такими возможностями не обладают и пользователь должен полагаться лишь на их ограниченные возможности, что является огромным минусом по отношению к пакету COSMOS, т. к. проведении полноценного моделирования (геометрического и электродинамического ) на базе одного программного комплекса не является возможным. Хотя программные продукты COSMOS могут проводить расчеты усталостной долговечности, и деформации, но не имеет средств передачи своих данных в специализированные пакеты верхнего уровня по расчету усталостной прочности. Расчетный комплекс ANSYS имеет собственные модули расчета усталостной долговечности и деформации и позволяет передавать свои конечно-элементные модели для расчета в программные продукты, являющиеся мировыми лидерами в этих видах расчетов: nCode, FE-Safe и LMS.[ 1 ]

В отличие от ANSOFT для визуализации результатов COSMOS/Works поддерживает трехмерную графику, основанную на усовершенствованном "движке" OpenGL. Постпроцессор позволяет просматривать следующие данные, полученные при расчете конструкции: напряжения, относительные и абсолютные деформа-

ции, деформированное состояние, энергия деформации, силы реакции, собственные формы и частоты колебаний, температура, градиенты температуры, тепловые потоки, динамическое отображение сечений и вывод изоповерхностей, историю оптимизации конструкции. В защиту продукта COSMOS (относительно задачи моделирования деформации параболической антенны под воздействием температуры) хотелось бы отметить более высокую производительность при построении конечно элементной модели по сравнению с пакетом ANSOFT. При построении полноценной модели параболической антенны следует учесть появления не точностей и "артефактов" выявленных при конвертировании из COSMOS а - в программные пакеты для получения электродинамических характеристик что, несомненно, скажется на конечном результате. Очевидным достоинством COSMOS Works состоит в том, что между постановкой задачи (при наличии геометрической модели антенны ) и получением результата происходит незначительное время. При создании геометрической модели антенны степень адекватности при выборе граничных условий имеет не меньшее значение для точности моделирования, чем функциональность при построении сетки конечных элементов. От других конечно - элементных программ Cosmos Works отличается тем, что граничные условия могут задаваться исключительно в привязке к объектам геометрии. Следует отметить, что определённые трудности возникают в Cosmos Works при задаче граничных условий (температурных) для модели параболической антенны связано это с сочетанием в одном объекте граничных условий одного или различных типов.

- Если температура приложена дважды, то принимается в расчёт последняя.

- Если на параболическом зеркале назначена температура и одновременно приложены тепловой поток или мощность, то программа принимает в расчёт температуру.

Ассоциативность граничных условий и модели, как и в случае с сеткой, обеспечивается действиями пользователя. Если появляются новые грани, кромки, вершины, требующие приложения нагрузок или указания перемещений, то, очевидно, что граничные условия на таких объектах должны быть заданы соответствующими командами. Если же семантика модели сохранилась, то её новые геометрические эле-

менты не появились, граничные условия будут автоматически приведены в соответствие с изменённой геометрией. Можно выделить ряд задач, где не явно вводятся линейные и объёмные формации. В COSMOS Works это задача термоупругости, где исходная информация - распределение температур в объёме тела при известных коэффициентах температурного расширения.

При моделировании деформации параболического зеркала в Solid Works большую роль играет задача теплопроводности, т.к. тепловые нагрузки, являясь скалярными величинами, не привязаны к системам координат. Основная проблема - ясное понимание физики процесса, а также тщательный подбор экспериментальных констант, характеризующих материалы и их взаимодействие с окружающей средой.

Говоря о программах электродинамического моделирования, следует отметить большое разнообразие используемых математических методов. Метод моментов, реализованный в MWO, Он значительно усовершенствован в системе IE3D3 - системе трехмерного электродинамического моделирования СВЧ устройств. Программа IE3D позволяет, в частности, рассчитывать антенные системы сложной конфигурации и анализировать их диаграммы направленности. Она включает до десяти утилит, которые значительно расширяют ее возможности, вплоть до анализа нелинейных СВЧ устройств во временной области. Другая программа этой же компании (Zeland) Fidelity решает задачу электродинамического моделирования методом FDTD (Finite Difference Time Domain). Этот метод позволяет анализировать более сложные структуры, произвольной конфигурации. Он также реализован в программе FDTD. В настоящее время большое развитие получила программа High Frequency System Simulator (HFSS) компании AnSoft, которая предназначена для анализа трехмерных СВЧ структур, в том числе, антенн и невзаимных устройств, содержащих ферриты. Наследуя лучшие возможности, реализованные в одноименных программах компаний Hewlett Parcard и Agilent, она сделала значительный шаг вперед. Среди новых возможностей Ansoft HFSS можно отметить:

- периодические граничные условия, предназначенные для анализа антенных решеток;

- систему макросов, значительно расширяющую возможности программы;

- подпрограмму анализа собственных колебаний и собственных волн (eigenmode solver);

- новые возможности визуализации результатов анализа, в частности, анимации картин поля, построение трехмерных диаграмм направленности и т.д.;

- адаптивный алгоритм решения электродинамических задач, обеспечивающий высокую эффективность моделирования сложных структур;

- возможность анализа многополюсников с многомодовыми портами;

- обширные базы данных по СВЧ материалам и СВЧ компонентам;

- возможность параметрического анализа и оптимизации параметров

структуры. [ 4 ].

Электродинамическое моделирование в HFSS основано на использовании метода конечных элементов (Finite Element Method, FEM). Решение граничной задачи ищется в частотной области. Использование метода конечных элементов обеспечивает высокую степень универсальности численных алгоритмов, которые оказываются весьма эффективными для широкого круга задач от анализа волноводных и полосковых структур до моделирования антенн и сложных невзаимных устройств, содержащих гиротропные среды. При исследовании влиянии тепловых воздействий на характеристики излучения параболических антенн программа HFSS является лидирующей, особенным плюсом в пользу выбора этого продукта наличие двусторонней связи с ANSYS Design Space. [ 5 ] .

Имя модели: Деталь1

Имя упражнения: Упражнение 1

von Mises

4.123е+007  3.7796+007 И. 3.436е+007 . 3.092е+007  . 2.748е+007

2.405е+007 №4. 2.061 е+007 1.718е+007 . 1.374е+007 . 1.031 е+007 6.871 е+006 Н. 3.436е+006 Н 5.321 е-001 —Предел текучести: 2.757е+007

Рис.1. Конечно - элементная модель параболического зеркала с деформациями в пакете CosmosWorks Перед подведением итогов вышесказанного хотелось бы отметить, что выводы целесообразности использования какого либо конкретного программного пакета продиктованы только задачей построения геометрических, тепловых и электродинамических моделей для исследования влияния тепловых воздействий на характеристики излучения параболических антенн. При решении задач деформации под влиянием температурного воздействия (при отсутствии задачи создания электродинамической модели ) Cos-mosWorks зарекомендовал себя на достаточно высоком уровне, за счёт высокой скорости создания конечно-элементной сетки и моделировании при статическом упражнении, но тем не менее если делать выбор программного продукта для создание полноценной модели параболической антенны, включающий в себя: геометрическую, тепловую, электродинамическую. То очевидным окажется симбиоз пакетов ANSOFT и HFSS, и основным преимуществом будет возможность двусторонней связи со следующими CAD-пакетами Pro/ENGINEER, HFSS, Unigraphics, Autodesk Inventor позволяющий проводить моделирование в полном объёме. Так же в ANSOFT используется более совершенный генератор КЭ позволяющий создавать модели с более высокой достоверностью.[ 6 - 8 ].Особо хотелось бы отметить пакет HFSS содержащий FEM

решающее устройство шестого поколения с доказанной надежностью для верных и точных результатов. Проектирование электродинамической модели параболической антенны с использованием HFSS показывает высокую гарантию того, что разработки будут иметь такие же характеристики, как моделируются. В завершении краткого обзора нельзя оставить без внимания перспективный пакет COMSOL Multiphysics в состав которого входят модули: Structural Mechanics Module, Heat Transfer Module , RF Module поз-

воляющие проводить весь комплекс моделирования (с высокой степенью достоверности параметров антенны) на базе одного пакета, так же обеспечивает эффективный обмен данными с популярными продуктами геометрического моделирования (Autodesk, Inventor, SolidWorks, CATIA, Pro/E, NX, SolidEdge и т.д.). Уникальной чертой пакета является способность использовать возможности MATLAB. Но распространение этого пакета ограничивается скудностью обучающей информации и отсутствием русификации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алямовский А.А. Solid Works/COSMOS Works. Инженерный анализ методом конечных элементов / А .А. Алямовский. М.: ДМК Пресс, 2004. 432 с.

2. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах/ К. А. Басов. М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

3. Гончаренко И. В. Компьютерное моделирование антенн. M.: ИП РадиоСофт, 2002. 250 c.

4. Банков С.Е. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS/ С.Е. Банков, А. А. Куру-

шин. Москва, 2009. 736 с.

5. Банков С.Е. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft / А. А. Курушин, С. Е. Банков. М.: ЗАО «НПП «РОДНИК» 2009. 352 c.

6. Каплун А.Б., ANSYS в руках инженера. Практическое руководство/ Е. М. Морозов, М.А. Олферье-

ва, А. Б. Каплун; Едиториал УРСС, Москва. 2003. 581 c.

7. Сызранцев В. Н. Расчет напряженно- деформированного состояния деталей методами конечных и

граничных элементов: Монография / В. Н. Сызранцев. - Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та,

2000. 111 с.

8. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows / Д. Г. Шимкович. М.: ДМК

Пресс, 2001. 448 с.