SolidWorks和COSMOS在车载天馈系统中的应用

2013-05-02 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

用 SolidWorks&COSMOS设计更好的车载天馈系统

广州灵汇通信技术有限公司徐建

广州生信科技发展有限公司吴书鹏

摘要:车载卫星天馈系统用于移动通信平台交换卫星信号,为了保证天馈系统在各种工况下的可靠运行并提高设计效率,我们采取了SolidWorks&COSMOS的解决方案。由于装载车辆的不同,需要天馈系统有不同的变型产品,产生了不少系列零件、借用零件,利用PDMWorks系统可以对文件的版本、属性、权限等作周全的管理,避免设计资料的丢失与错误引用。为了保证天馈系统的可靠性,采用了COSMOS进行强度分析、优化和空气动力学分析。

卫星通信车是现代高科技通信技术的集中体现。它无需借助任何现有地面通信网络,可以在任何场合建立快速和有效的通信链路,提供现场图像、数据和语音的全方位服务。

车载卫星天馈系统是卫星通信车的核心部分。由于车载卫星天馈系统的运用场合特殊,它除了在通信方面要求能够接收和发送卫星信号外,机械性能方面要求捕获信号时间短,结构坚固、重量轻,整体防水、防尘,展开速度快,可自动展开和收拢,专为车载设计,适合于中、小型车辆上装载。为了解决传统天馈系统机械传动机构复杂、传动效率低的缺点。我们采用了钢丝绳传动方案,大大减轻了机构重量,提高了传动效率。要将方案转换为产品,我们需要一个系统化的设计平台,因此我们选择了SolidWorks。以下便是SolidWorks在1.8米Ku波段天馈系统设计过程中的具体应用。

1 三维设计

相对于传统的两维设计,SolidWorks三维设计最大的特点是功能强大、使用方便高效。SolidWorks三维设计可以分为零件设计、虚拟装配、工程图三个不同的设计阶段。设计过程的全相关性特点,使得设计者在任何阶段对设计的修改都会自动更新其他阶段,设计过程变得非常灵活和轻松,大大提高了设计效率。

在早期设计阶段,我们利用了SolidWorks的草图块功能进行方案的比选。从单个或多个草图实体生成块。有了块,可快速开发机械装置和连杆的概念模型。这些模型最终包括绕轴转动、滑动、或旋转的数个零件。以布局草图设计机械装置可以让设计师可快速灵活的进行多方案比选。

利用三维零件模型设计者可以实现产品的虚拟装配。利用装配体可以进行产品结构验证,分析设计的不足以及查找设计中的错误。例如,进行干涉检查,查找装配体中存在的设计错误;产品的统计和计算。例如,计算产品总质量、统计产品中的零件类型和零件数量;生成产品的爆炸图和动画模拟,演示产品的装配过程或维修过程;利用PhotoWorks和Animator生成产品的真实效果图,提供“概念产品”。

2 产品数据管理——PDMWORKS

由于装载车辆和用户需求的不同,天馈系统需要根据实际情况不断的改型。并且在1.8米天馈的基础上我们衍生出了0.8米、1.2米、2.4米等系列产品。随着产品线的丰富,数据文件越来越多,在产品数据管理方面很多企业都会遇到难题。

我们采用了SolidWorks的PDMWorks Workgroup作为我们产品数据管理的解决方案。PDMWorks Workgroup为工作组提供了一个经济实惠、快速实施和易于使用的,以完全集成于SolidWorks的数据管理解决方案,能够满足用户大部分公用数据的管理任务。

PDMWorks workgroup 通过电子仓库提供了保护文件的有效方法,电子仓库是存储共享项目文件的简单而又高度安全的系统。电子仓库使设计团队成员可以系统地共享文件,一个文件只允许一个用户同时检入/检出电子仓库,以而避免团队成员意外覆盖文件或者在错误的文件版本上浪费时间。PDMWorks workgroup 在标准网络环境(通过常见的网络文件夹共享文件)之上又提供了额外的安全性级别。利用 PDMWorks workgroup,访问库中的信息只有通过为工作组创建的管理控件而设计的用户界面来进行才有可能。PDMWorks workgroup 库与普通的网络或本地文件夹不同,它可以保护设计信息不会遭受未经授权的访问以及意外覆盖和删除。

3.产品设计验证和优化-COSMOS

COSMOS是一个与 SolidWorks完全集成的完备的设计验证和优化系统。COSMOS 提供了单一屏幕多学科解决方案来进行结构强度分析、运动学分析和流体动力学性能分析。由于两者的高集成性,使得COSMOS可以直接运用SolidWorks模型进行分析,不存在格式转换的问题,使得产品设计者在产品设计阶段就能进行产品验证和优化,可以说COSMOS将高高在上的CAE技术带入到了一个新的时代。

3.1 1.8米Ku波段天馈系统安装底座的结果强度分析

天馈安装底座将天馈与车体相互连接,它的强度直接关系着天馈系统的安全,因此需要一定的强度。考虑到车体的承载,整个天馈系统需要控制在200KG以内,所以对于每个组件都有必要进行质量方面的优化设计。

边界条件:安装底座的底框通过螺栓与车顶加强结构固定连接。顶框天馈安装面受到天馈的重力,考虑到天馈重心的偏置我们采用了远程载荷。以安装座地面中点为坐标原点建立参考坐标系,测出天馈重心X:-540mm Y:-3mm Z:398mm,天馈重量1765N。其受力情况如图:

分析结果:COSMOSWorks提供了应力、应变、位移等解。由应力图解得出最大vonMises应力为4.628e7 N/m^2,安全系数: FOS=σ0.2/σvonMises=7.58e^8 N/m^2/4.628e7 N/m^2=14> 2.5。显然设计过于保守,需要进行优化。

3.2 优化分析

3.2.1优化目标:本案设定减小质量为目标 ;

3.2.2设计变量:设计变量为模型中的参数。在这里我们定义模型中可以改变的尺寸槽形件的宽度。

3.2.3约束条件:以许用应力为约束条件。

通过优化计算,显示最终设计和初始设计,槽形件宽度由250mm减至46.755mm。我们取整数50mm作为我们最终设计参数。底座重量由8.7kg减轻至7.3kg。

显示优化后的应力分布图解,最大vonMises应力为2.315e8 N/m^2,FOS=σ0.2/σvonMise s=7.58e^8 N/m^2/2.315e8 N/m^2=2.7>2.5 通过对各组件的优化设计,整个天馈系统由初始设计时的220kg减轻至186kg,总体重量减轻15%,大大减少了车体的负担。

3.3风载的空气动力学模拟仿真。

采用COSMOSFlowWorks直接对天馈产品进行模拟

4 结束语

SolidWorks将CAD、CAE、PDM等先进设计手段集于一身,为我们提供了一个完善的产品设计平台,解决了车载天馈系统设计中的一些难题。SolidWorks提高了我们的设计水平,保证了设计质量,缩短了设计周期30%以上,大大减轻了我们企业的研发成本。如今我们的产品已成功运用于公安、国防、民用通信等领域。另外,考虑到企业级的PDM应用,可以考虑将现有的PDMWorks WorkGroup 升级到 PDMWorks Enterprise。

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